作用力検出装置
【課題】容易に配線することができ、且つ、３自由度の作用力を検出することができる作用力検出装置を提供する。
【解決手段】作用力検出装置１０では、操作部１２にＸ軸方向に作用する作用力に起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子１７１ａ〜１７１ｄ、Ｙ軸方向に作用する作用力に起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子１７２ａ〜１７２ｄ、及びＺ軸周りに作用するモーメントに起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子１７３ａ〜１７３ｄが起歪体１３の素子配置面に配置されている。また、作用力検出装置１０では、起歪体１３の素子配置面と操作部１２の軸１２ｂとを一体に連結する連結体１４が備えられている。
【解決手段】作用力検出装置１０では、操作部１２にＸ軸方向に作用する作用力に起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子１７１ａ〜１７１ｄ、Ｙ軸方向に作用する作用力に起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子１７２ａ〜１７２ｄ、及びＺ軸周りに作用するモーメントに起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子１７３ａ〜１７３ｄが起歪体１３の素子配置面に配置されている。また、作用力検出装置１０では、起歪体１３の素子配置面と操作部１２の軸１２ｂとを一体に連結する連結体１４が備えられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載ナビゲーション装置の表示画面上を移動するカーソルの移動方向を指示するなどの操作をするためのポインティングデバイスに適用して有益な作用力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、作用力検出装置として例えば特許文献１に記載の技術が知られている。この文献に記載の技術では、弾性を有する第１歪検出板及び第２歪検出板が平面視十字型に組みつけられ、これら組みつけられた第１歪検出板及び第２歪検出板は、ベースプレートの表面に垂直な状態にてそのベースプレートにさらに組みつけられている。また、第１歪検出板及び第２歪検出板の表面には、これら歪検出板の長手方向に直交する方向を歪検出方向とする歪ゲージが配列されている。
【０００３】
また、作用力検出装置として例えば特許文献２に記載の技術が知られている。この文献に記載の技術では、弾性を有する弾性板と、この弾性板の中央に設けられるとともに少なくとも下方部が弾性金属線からなる操作部と、この弾性板の変形を検出するための４つの歪検出素子とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１２８１４２号公報
【特許文献２】特開平１０−１９７３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の技術では、ベースプレート表面をＸ−Ｙ平面とし、ベースプレート表面に垂直な方向をＺ軸方向とすると、第１及び第２歪検出板が弾性を有することから、第１及び第２歪検出板は、Ｘ軸方向に作用する力及びＹ軸方向に作用する力によって歪むだけでなく、Ｚ軸周りのモーメントに起因して生じる作用力によっても歪む。したがって、上記特許文献１に記載の技術では、Ｘ軸方向に作用する力及びＹ軸方向に作用する力並びにＺ軸周りのモーメントに起因して生じる作用力の３自由度の作用力を検出することが可能である。しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、第１及び第２歪検出板の両面、すなわち複数の面に歪ゲージが使用されている。そのため、はんだ付けするなどによりこれら歪ゲージから配線を取り出す工程は複雑となり、コストがかかってしまう。
【０００６】
一方、上記特許文献２に記載の技術では、４つの歪検出素子を全て弾性板の同一の表面に設けるため、歪検出素子から容易に配線を取り出すことができるようにはなる。しかしながら、弾性板の表面をＸ−Ｙ平面とし、弾性板の表面に垂直な方向をＺ軸方向とすると、弾性板は平面視矩形型の平板であることから、Ｚ軸周りのモーメントが作用したとしても、このモーメントに起因して変形する量はごく微量である。そのため、Ｚ軸周りのモーメントに起因して生じる弾性板の変形を歪検出素子によって検出することは難しく、Ｘ軸方向に作用する作用力及びＹ軸方向に作用する作用力の２自由度の作用力のみ検出することができるに過ぎない。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、容易に配線することができ、且つ、３自由度の作用力を検出することができる作用力検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
こうした目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、軸を有する操作部に作用する作用力に応じて弾性変形する平板状の起歪体と、前記起歪体の変形を検出する少なくとも４個の歪検出素子とを備え、前記歪検出素子の検出信号に基づいて前記操作部に作用する作用力を検出する作用力検出装置であって、前記歪検出素子は、前記起歪体の１つの素子配置面にすべて配置されており、前記起歪体と前記操作部の軸とを一体に連結する連結体を備えることを特徴とする。
【０００９】
作用力検出装置としてのこのような構成では、操作部の軸周りにモーメントが作用すると、この作用したモーメントは連結体によって起歪体の素子配置面に作用する作用力に変換され、その起歪体の素子配置面に作用する。連結体が起歪体と操作部の軸とを一体に連結するため、連結体によってモーメントは増幅された上で起歪体の表面に作用する。そして、起歪体はこの増幅されたモーメントに起因して生じる作用力に応じて弾性変形し、この変形量は歪検出素子によって検出されるようになる。このように、操作部の軸周りに作用するモーメントを容易に検出することができるようになり、そもそも、起歪体の同一面に平行で且つ互いに直交する２軸方向の作用力を検出することはできるため、あわせて３自由度の作用力を検出することができるようになる。
【００１０】
また、作用力検出装置としての上記構成では、上記特許文献１に記載の技術とは異なり、起歪体の素子配置面に歪検出素子が配置されるため、歪検出素子を容易に配線することができるようになる。そしてひいては、作用力検出装置を低コストにて製造することができるようになる。
【００１１】
ところで、連結体の剛性が高い場合にあっては、上記モーメントが上記作用力に変換される際、連結体自体に大きな反力が生じる。こうした反力が生じると、上記モーメントに起因する起歪体の変形量は小さくなり、作用力の検出感度はそれほど高くない。
【００１２】
そこで、請求項１に記載の構成において、請求項２に記載の発明のように、前記連結体は、一部が当該連結体の他の部分よりも細く形成されていることが望ましく、具体的には、請求項３に記載の発明のように、前記連結体は、前記操作部の軸と一体に連結される操作部連結体、前記起歪体と一体に連結される起歪体連結体、並びにこれら操作部連結体及び起歪体連結体を一体に連結する連結部を有しており、前記連結部は、前記操作部連結体及び前記起歪体連結体よりも細く形成されていることが望ましい。これにより、連結体自体に生じる反力を小さくすることができるようになり、上記モーメントに起因する起歪体の変形量はそれほど小さくならなくなる。そしてひいては、作用力の検出感度の向上を図ることができるようになる。
【００１３】
なお、連結体の剛性を低くするには、上記請求項２に記載の構成あるいは上記請求項３に記載の構成の他に、請求項４に記載の発明のように、前記連結体は、少なくとも一部分が弾性材料にて形成されていることとしてもよい。ちなみに、この請求項４に記載の構成は、上記請求項２あるいは３に記載の構成と併用することが可能であり、これら請求項２〜４に記載の構成を併用する場合、作用力の検出感度のさらなる向上を図ることができるようになる。
【００１４】
また、請求項１〜４のいずれかに記載の構成においては、請求項５に記載の発明のように、前記連結体は、前記操作部の軸が前記起歪体の素子配置面に対して垂直となるように、これら操作部の軸と起歪体とを一体に連結したり、請求項６に記載の発明のように、前記連結体は、前記操作部の軸が前記起歪体の素子配置面に対して所定角度傾斜するように、これら操作部の軸と起歪体とを一体に連結したりすることができる。上記請求項６に記載の発明によれば、例えば操作部の軸周りの作用するモーメント等、特定の作用力に対する起歪体の変形量が大きくなり、結果として、検出感度が向上するようになる。
【００１５】
上記請求項１〜６のいずれかに記載の構成において、請求項７に記載の発明では、前記操作部の軸に設けられ、前記操作部に作用する作用力に応じて弾性変形しつつ、この作用力を前記連結体に伝達する弾性部材をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
弾性部材として、人間の力でも容易に変形させることの可能なゴムやばね（詳しくはコイルばね）等を採用した場合、操作部は作用力が作用することで大きく変位するようになる。操作部が大きく変位するため、操作者が作用力を加えたことが容易に分かるようになる。
【００１７】
なお、請求項１に記載の構成においては、請求項８に記載の発明のように、前記連結体は、曲げ加工された単一の板材によって構成されていることとしてもよい。板材の曲げ加工にて連結体を製作することで、連結体の製作が容易になることから、当該装置を低コストで実現することができるようになる。
【００１８】
あるいは、請求項１に記載の構成においては、請求項９に記載の発明のように、前記連結体は、複数回折り返された板ばねによって構成されており、前記操作部に作用する作用力に応じて弾性変形しつつ、この作用力を前記起歪体に伝達することとしてもよい。
【００１９】
上記請求項９に記載の構成によれば、連結体は、起歪体と操作部の軸とを一体に連結して操作部に作用した作用力を起歪体に伝達する本来の効果を奏することはもちろんのこと、操作部に作用する作用力に応じて板ばねが弾性変形することから、上記請求項７の弾性部材に準じた効果、すなわち、作用力が作用することによって操作部が大きく変位するため、操作者は作用力を加えたことが容易に分かるようになる効果も奏するようになる。
【００２０】
また、上記請求項９に記載の構成では、複数回折り返された板ばねが用いられることから、折り返す回数や板ばねの幅等を調整することにより、起歪体の素子配置面に平行な方向であればその方向によらず、操作部に加えた作用力に対する操作部の変位をほぼ等しくすることができるようになる。そしてひいては、違和感のない操作性を実現することができるようになる。
【００２１】
上記請求項９に記載の構成において、請求項１０に記載の発明のように、連結体は単一の板ばねによって構成されていることとしてもよい。例えばプレス加工によって板ばねを加工することで、連結体を単一の板ばねによって構成することが可能である。
【００２２】
ただし、例えばプレス加工によって板ばねを加工する場合、請求項１１に記載の発明のように、連結体は２つの板ばねが組み合わされて構成されいてもとよい。単一の板ばねによって連結体を構成しようとすると、板ばねの形状が複雑であることから、１度のプレス加工にて板ばねを加工することが難しく、複数回プレス加工を行う必要が生じる場合がある。２つの板ばねを組み合わせることによって連結体を構成しようとすると、板ばねの形状は複雑とならないことから、１度のプレス加工にて板ばねを容易に加工することができる。したがって、当該装置をより低コストに実現することができるようになる。
【００２３】
上記請求項１〜１１のいずれかに記載の構成において、連結体は起歪体の素子配置面にて連結されていることとしてもよく、請求項１２に記載の発明のように、連結体は起歪体の前記素子配置面と反対側の面に連結されていることとしてもよい。請求項１２に記載の構成によれば、連結体を連結するための領域を起歪体の素子配置面に確保する必要がなくなることから、起歪体を小さくすることができ、ひいては、当該作用力検出装置の体格の小型化を図ることができるようになる。
【００２４】
上記請求項１〜１２のいずれかに記載の構成において、請求項１３に記載の発明では、前記起歪体の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が増大するように前記素子配置面に配置された歪検出素子と、前記起歪体のその同一の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が減少するように前記素子配置面に配置された歪検出素子とを含む歪検出部を、少なくとも４つ備えることとした。
【００２５】
作用力検出装置としてのこのような構成では、操作部の軸方向に作用力が作用すると、この作用した作用力は連結体を介して起歪体の素子配置面に作用する。起歪体は連結体を介して作用した作用力に応じて弾性変形し、この変形量は歪検出素子によって検出されるようになる。これにより、起歪体の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が増大するように素子配置面に配置された歪検出素子と起歪体のその同一の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が減少するように素子配置面に配置された歪検出素子により、起歪体の素子配置面に垂直な方向の作用力を検出することができるようになり、起歪体の素子配置面に平行で且つ互いに直交する２軸方向の作用力及び操作部の軸周りのモーメントの上記請求項１の３自由度に加え、起歪体の素子配置面に垂直な方向の作用力を含めたあわせて４自由度の作用力を検出することができるようになる。なお、歪検出素子としては、圧膜抵抗体であってもよく、請求項１４に記載の発明のように、ひずみゲージであってもよい。
【００２６】
また、請求項１５に記載の発明のように、前記起歪体は、平面視Ｉ字型の平板であることとしてもよく、請求項２２に記載の発明のように、前記起歪体は、平面視卍型の平板であることとしてもよい。
【００２７】
上記請求項１５に記載の構成において、請求項１６に記載の発明では、前記起歪体は、両先端部に、先端に近づくほど幅が広がる先端側広がり部を有する平面視Ｉ字型の平板であることとした。これにより、先端側広がり部が設けられている範囲における起歪体のひずみ量が略一定となるため、歪検出素子の配置位置がその範囲内でずれたとしても、起歪体のひずみ量に対する歪検出素子の出力のばらつきが少なくなる。そのため、当該作用力検出装置は、起歪体の表面における歪検出素子の配置位置に対するロバスト性が高い装置となる。なお、上記請求項１６に記載の構成において、請求項１７に記載の発明のように、前記先端側広がり部は、先端側へ向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備え、それら一対の斜辺は、前記起歪体の幅方向中心線とのなす角度がいずれも「１５度〜４５度」に形成されていることが望ましい。
【００２８】
上記請求項１５〜１７のいずれかに記載の構成において、請求項１８に記載の発明では、前記起歪体は、前記連結体との連結部に近づくほど幅が広がる連結体側広がり部を有する平面視Ｉ字型の平板であることとした。これにより、連結体側広がり部が設けられている範囲における起歪体のひずみ量が略一定となるため、歪検出素子の起歪体における配置位置がその範囲内でずれたとしても、起歪体のひずみ量に対する歪検出素子の出力のばらつきは少なくなる。そのため、当該作用力検出装置は、起歪体の表面における歪検出素子の配置位置に対するロバスト性が高い装置となる。なお、上記請求項１８に記載の構成において、請求項１９に記載の発明のように、前記連結体側広がり部は、前記連結部との連結部へ向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備え、それら一対の斜辺は、前記起歪体の幅方向中心線とのなす角度がいずれも「１５度〜４５度」に形成されていることが望ましい。
【００２９】
起歪体が平面視Ｉ字型の平板である場合、請求項２０に記載の発明のように、前記起歪体は、２枚の平板から構成されることとしてもよいし、請求項２１に記載の発明のように、前記起歪体は、２つの平面視Ｉ字型の平板からなる１枚の平板から構成されることとしてもよい。ちなみに、請求項２０に記載の構成によれば、部品点数を低減することができ、組み付けを容易にすることができるようになる。一方、請求項２１に記載の構成によれば、起歪体の製造効率の向上を図ることができるようになる。同様に、起歪体が平面視卍型の平板である場合、請求項２３に記載の発明のように、前記起歪体は、複数の平板から構成されることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る作用力検出装置の第１の実施の形態について、（ａ）はＩＡ−ＩＡ線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図２】第１の実施の形態において、（ａ）は操作部にＸ軸方向への作用力が作用した場合について、（ｂ）は操作部にＹ軸方向への作用力が作用した場合について、（ｃ）は操作部のＺ軸周りのモーメントが作用した場合について、起歪体に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【図３】第１の実施の形態において、操作部に作用する作用力及びモーメントに起因して生じる歪検出素子の抵抗値の変化を一覧にて示す図である。
【図４】第１の実施の形態において、（ａ）は操作部のＸ軸方向に作用する作用力を検出するためのブリッジ回路の構成例を示す回路図である。（ｂ）は操作部のＹ軸方向に作用する作用力を検出するためのブリッジ回路の構成例を示す回路図である。（ｃ）は操作部のＺ軸周りのモーメントを検出するためのブリッジ回路の構成例を示す回路図である。
【図５】第１の実施の形態の変形例について、（ａ）はVA-VA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図６】本発明に係る作用力検出装置の第２の実施の形態について、（ａ）はVIA-VIA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図７】（ａ）は、第１の実施の形態において、操作部のＺ軸周りのモーメントが作用した場合に、起歪体に作用する作用力及びモーメントを示す図であり、（ｂ）は、第２の実施の形態において、操作部のＺ軸周りのモーメントが作用した場合に、起歪体に作用する作用力及びモーメントを示す図である。
【図８】第２の実施の形態の変形例について、（ａ）はVIIIA−VIIIA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図９】本発明に係る作用力検出装置の第３の実施の形態について、（ａ）はIXA-IXA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図１０】第３の実施の形態において、（ａ）及び（ｂ）は操作部のＺ軸周りのモーメントが作用した場合について、起歪体に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【図１１】本発明に係る作用力検出装置の第４の実施の形態について、（ａ）はXIA-XIA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図１２】（ａ）は、操作部の軸が起歪体の素子配置面に対して垂直となるように、これら操作部の軸及び起歪体の素子配置面が一体に連結された場合において、作用力がＹ軸マイナス方向に作用したときに起歪体に作用する作用力を示す模式図である。（ｂ）は、操作部の軸が起歪体の素子配置面に対して所定角度傾斜するように、これら操作部の軸及び起歪体の素子配置面が一体に連結された場合において、作用力がＹ軸マイナス方向に作用したときに起歪体に作用する作用力を示す模式図である。
【図１３】本発明に係る作用力検出装置の第５の実施の形態について、その側面構造を示す図である。
【図１４】本発明に係る作用力検出装置の第６の実施の形態について、（ａ）はXIVA−XIVA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図１５】第６の実施の形態において、（ａ）は操作部にＸ軸方向への作用力が作用した場合について、（ｂ）は操作部にＹ軸方向への作用力が作用した場合について、起歪体に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【図１６】第６の実施の形態において、（ｃ）は操作部のＺ軸方向への作用力が作用した場合について、（ｄ）は操作部のＺ軸周りのモーメントが作用した場合について、起歪体に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【図１７】第６の実施の形態において、操作部のＺ軸方向への操作力が作用した場合について、（ａ）は歪検出素子の圧縮及び引張態様を示す側面図であり、（ｂ）は歪検出素子の配置態様を示す平面図である。
【図１８】第６の実施の形態において、（ａ）は、操作部のＸ軸方向、操作部のＹ軸方向、操作部のＺ軸方向、およびＺ軸周りのモーメントを検出するためのブリッジ回路の構成例を示す回路図であり、（ｂ）は、操作部にＺ軸プラス方向に作用力が作用した場合における歪検出素子の抵抗値の変化を一覧にて示す図である。
【図１９】第６の実施の形態において、操作部に作用する作用力及びモーメントの別に、ブリッジ回路の出力の極性を一覧にて示す図である。
【図２０】本発明に係る作用力検出装置の第７の実施の形態について、平面構造を示す図である。
【図２１】（ａ）は、広がり部を有している起歪体（第７の実施の形態）の一部の平面構造を示す図であり、（ｃ）は、広がり部を有していない起歪体（第１〜６の実施の形態等）の一部の平面構造を示す図である。（ｂ）は、広がり部を有している起歪体のひずみ量を実線にて示すとともに、広がり部を有していない起歪体のひずみ量を破線にて示す図である。
【図２２】本発明に係る作用力検出装置の第８の実施の形態について、（ａ）はXXIIA-XXIIA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図２３】本発明に係る作用力検出装置の第９の実施の形態について、（ａ）はXXIIIA-XXIIIA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図２４】本発明に係る作用力検出装置の第１０の実施の形態について、全体の断面構造を側面方向から示す図である。
【図２５】第１０の実施の形態について、（ａ）及び（ｂ）は連結体の正面構造及び側面構造をそれぞれ示す図である。
【図２６】第１０の実施の形態の変形例について、（ａ）及び（ｂ）は連結体の正面構造及び側面構造をそれぞれ示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る作用力検出装置の第１の実施の形態について、図１〜図４を参照しつつ説明する。なお、図１（ａ）は、作用力検出装置１０をＩＡ−ＩＡ線（図１（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図１（ｂ）は、作用力検出装置１０の平面構造を示す図である。はじめに、この図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、作用力検出装置１０の構成について説明する。
【００３２】
図１（ａ）に示されるように、作用力検出装置１０は、操作部１２、起歪体１３、連結体１４、ハウジング１５、及び信号処理部１６等々を備えて構成されている。
【００３３】
このうち、操作部１２は、把持部１２ａ及び軸１２ｂを有して構成されている。操作部１２の把持部１２ａは、ユーザが直接操作する部分であり、適宜の材料にて平面視円状に形成されている。操作部１２の軸１２ｂは、把持部１２ａの中心から把持部１２ａの表面に対し垂直に伸長するように、把持部１２ａと一体に円柱にて形成されている。このように構成されることで、操作部１２の把持部１２ａに作用する作用力は、操作部１２の軸１２ｂ及び連結体１４を介して起歪体１３に伝達される。
【００３４】
起歪体１３は、図１（ｂ）に示すように、２枚の平面視Ｉ字型の平板がこれら平板の各表面が同一平面となるように配列されて構成されており、操作部１２に作用する作用力に応じて主に起歪体１３の表面に垂直な方向（後述のＺ軸方向）に弾性変形する。また、この起歪体１３の表面（詳しくは上面）には、起歪体１３の変形を検出する複数の歪検出素子１７（詳しくは歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄ）及びこれら歪検出素子１７を用いたブリッジ回路に電源を供給するための図示しない複数の電極が配置されている。なお、起歪体１３の表面（上面）が特許請求の範囲に記載の起歪体の素子配置面に相当する。
【００３５】
ここで、起歪体１３の表面に平行で且つ互いに直交する２軸であるＸ軸及びＹ軸の各々のプラス方向を、図１（ｂ）で下方に向かう方向及び右方に向かう方向とし、これらＸ軸方向及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向を、起歪体１３の表面に垂直な方向とする。このとき、起歪体１３の表面に配置された歪検出素子１７のうち歪検出素子１７１ａ〜１７１ｄは、操作部１２に作用する作用力のうちＸ軸方向に作用する作用力に起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子である。また、起歪体１３の表面に配置された歪検出素子１７のうち歪検出素子１７２ａ〜１７２ｄは、操作部１２に作用する作用力のうちＹ軸方向に作用する作用力に起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子である。また、起歪体１３の表面に配置された歪検出素子１７のうち歪検出素子１７３ａ〜１７３ｄは、操作部１２に作用する作用力のうちＺ軸周りに作用するモーメントに起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子である。
【００３６】
なお、歪検出素子１７（１７１ａ〜１７３ｄ）については公知であるため、ここでの詳しい説明を割愛する。また、本実施の形態では、Ｘ軸方向に作用する作用力、Ｙ軸方向に作用する作用力、及びＺ軸周りに作用するモーメントの３自由度の作用力各々について、歪検出素子１７が４個（計１２個）配置されていたが、これに限らず、少なくとも計４個配置されていれば、これら３自由度の作用力を検出することはできる。
【００３７】
連結体１４は、平面視矩形状且つ側面視コの字型状にて、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料から形成されている。この連結体１４は、上面の長手方向略中央に位置する連結領域Ｓｕにおいて、操作部１２の軸１２ｂと一体に連結されており、下面の両端部に位置する連結領域Ｓｄにおいて、起歪体１３と一体に連結されている。なお、連結体１４の連結領域Ｓｄは、起歪体１３の長手方向の略中央の部分に対向する。また、操作部１２の軸１２ｂの軸心Ｃ１から連結領域Ｓｄの中心線Ｃ２までの距離ｒは、操作部１２の軸１２ｂの半径よりも長く設定されている。ここで、中心線Ｃ２とは、連結領域Ｓｄの中心を通り、且つ、連結領域Ｓｄに垂直な線である。さらに、連結体１４は、操作部１２の軸１２ｂが起歪体１３の表面に対して垂直となるように、これら操作部１２の軸１２ｂと起歪体１３の表面とを一体に連結している。
【００３８】
ハウジング１５は、適宜の材料によって形成されており、上記起歪体１３を保持し、ひいては起歪体１３に一体に連結される連結体１４や、この連結体１４に一体に連結される操作部１２等々も保持する。なお、ハウジング１５には、起歪体１３の歪検出素子１７が配置される部分に対向する箇所に凹部が形成されている。この凹部により、起歪体１３がその表面に垂直な方向に弾性変形しても、その弾性変形は阻害されないようになる。
【００３９】
信号処理部１６は、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄを組み合わせて構成されたブリッジ回路１８ａ〜１８ｃを有して構成されており、ブリッジ回路１８ａ〜１８ｃの検出信号に基づいて、操作部１２に作用する作用力を検出する。なお、ブリッジ回路１８ａ〜１８ｃについては図３及び図４を参照しつつ後述する。
【００４０】
以上のように構成された作用力検出装置１０の動作について図２（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明する。なお、図２（ａ）は操作部１２にＸ軸プラス方向への作用力が作用した場合について、図２（ｂ）は操作部１２にＹ軸プラス方向への作用力が作用した場合について、図２（ｃ）は操作部１２のＺ軸反時計周りのモーメントが作用した場合について、起歪体１３に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【００４１】
ユーザによって操作部１２のＸ軸プラス方向に作用力が加えられたとする。このとき、加えられた作用力は、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図２（ａ）に示すように、Ｘ軸プラス方向の作用力Ｆｘとして連結体１４に作用する。連結体１４に作用力Ｆｘが作用すると、連結体１４の左端部にはＸ軸プラス方向に作用力ｆｘ１１が作用し、連結体１４の右端部にはＸ軸プラス方向に作用力ｆｘ１２が作用する。ここで、連結体１４は起歪体１３と一体に連結されていることから、連結体１４の左端部に作用力ｆｘ１１が作用すると、連結体１４の左端部よりも図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｘ２１がＺ軸マイナス方向に作用し、連結体１４の左端部よりも図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｘ３１がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｘ１２が作用すると、連結体１４の右端部よりも図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｘ２２がＺ軸マイナス方向に作用し、連結体１４の右端部よりも図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｘ３２がＺ軸プラス方向に作用する。このように、作用力Ｆｘは、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｘ２１及びｆｘ３１並びにｆｘ２２及びｆｘ３２に変換され、起歪体１３に作用することになる。ちなみに、作用力ｆｘ２１及びｆｘ３１が作用するため、連結体１４の左端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｘ１が発生し、作用力ｆｘ２２及びｆｘ３２が作用するため、連結体１４の右端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｘ２が発生することになる。
【００４２】
また、ユーザによって操作部１２のＹ軸プラス方向に作用力が加えられたとする。このとき、加えられた作用力は、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図２（ｂ）に示すように、Ｙ軸プラス方向の作用力Ｆｙとして連結体１４に作用する。連結体１４に作用力Ｆｙが作用すると、連結体１４の左端部にはＺ軸プラス方向に作用力ｆｙ１１が作用し、連結体１４の右端部にはＺ軸マイナス方向に作用力ｆｙ１２が作用する。ここで、連結体１４は起歪体１３と一体に連結されていることから、連結体１４の左端部に作用力ｆｙ１１が作用すると、連結体１４の左端部よりも図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｙ２１がＺ軸プラス方向に作用し、連結体１４の左端部の図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｙ３１がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｙ１２が作用すると、連結体１４の右端部の図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｙ２２がＺ軸マイナス方向に作用し、連結体１４の左端部の図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｙ３２がＺ軸マイナス方向に作用する。このように、作用力Ｆｙは、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｙ２１及びｆｙ３１並びにｆｙ２２及びｆｙ３２に変換され、起歪体１３に作用することになる。
【００４３】
また、ユーザによって操作部１２のＺ軸反時計周りにモーメントが加えられたとする。このとき、加えられたモーメントは、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図２（ｃ）に示すように、Ｚ軸反時計周りのモーメントＭｚとして連結体１４に作用する。連結体１４にモーメントＭｚが作用すると、連結体１４の左端部にはＸ軸プラス方向に作用力ｆｚ１１が作用し、連結体１４の右端部にはＸ軸マイナス方向に作用力ｆｚ１２が作用する。ここで、連結体１４は起歪体１３と一体に連結されていることから、連結体１４の左端部に作用力ｆｚ１１が作用すると、連結体１４の左端部よりも図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｚ２１がＺ軸マイナス方向に作用し、連結体１４の左端部よりも図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｚ３１がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｚ１２が作用すると、連結体１４の右端部よりも図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｚ２２がＺ軸プラス方向に作用し、連結体１４の右端部よりも図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｚ３２がＺ軸マイナス方向に作用する。このように、作用力Ｆｚは、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｚ２１及びｆｚ３１並びにｆｚ２２及びｆｚ３２に変換され、起歪体１３に作用することになる。ちなみに、作用力ｆｚ２１及びｆｚ３１が作用するため、連結体１４の左端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｚ１が発生し、作用力ｆｚ２２及びｆｚ３２が作用するため、連結体１４の右端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｚ２が発生することになる。
【００４４】
図３は、操作部１２に作用する作用力及びモーメントに起因して生じる歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値の変化を一覧にて示す図である。ちなみに、先の図２（ａ）にて示した動作例においては、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値は図３の「１行目」に示すように変化する。また、先の図２（ｂ）にて示した動作例においては、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値は図３の「３行目」に示すように変化する。また、先の図２（ｃ）にて示した動作例においては、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値は図３の「６行目」に示すように変化する。
【００４５】
こうした歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値の変化の特性を踏まえ、本実施の形態では、操作部１２のＸ軸方向に作用する作用力を検出するためのブリッジ回路１８ａを図４（ａ）に示すように構成する。また、操作部１２のＹ軸方向に作用する作用力を検出するためのブリッジ回路１８ｂを図４（ｂ）に示すように構成する。また、操作部１２のＺ軸周りに作用するモーメントを検出するためのブリッジ回路１８ｃを図４（ｃ）に示すように構成する。
【００４６】
例えば、Ｘ軸プラス方向に作用力が作用した場合、歪検出素子１７１ａの抵抗値及び１７１ｃの抵抗値は増大する一方、歪検出素子１７１ｂの抵抗値及び１７１ｄの抵抗値は低下する。逆に、Ｘ軸マイナス方向に作用力が作用した場合、歪検出素子１７１ａの抵抗値及び１７１ｃの抵抗値は低下する一方、歪検出素子１７１ｂの抵抗値及び１７１ｄの抵抗値は増大する。したがって、先の図４（ａ）に示されるように、ブリッジ回路１８ａは、歪検出素子１７１ａ及び１７１ｃが互いに対角に配置されるとともに、歪検出素子１７１ｂ及び１７１ｄが互いに対角に配置されるように構成されている。
【００４７】
同様に、Ｙ軸プラス方向に作用力が作用した場合、歪検出素子１７２ａの抵抗値及び１７２ｂの抵抗値は増大する一方、歪検出素子１７２ｃの抵抗値及び１７２ｄの抵抗値は低下する。逆に、Ｙ軸マイナス方向に作用力が作用した場合、歪検出素子１７２ａの抵抗値及び１７２ｂの抵抗値は低下する一方、歪検出素子１７２ｃの抵抗値及び１７２ｄの抵抗値は増大する。したがって、ブリッジ回路１８ｂは、先の図４（ｂ）に示されるように、歪検出素子１７２ａ及び１７２ｂが互いに対角に配置されるとともに、歪検出素子１７２ｃ及び１７２ｄが互いに対角に配置されるように構成されている。
【００４８】
また同様に、Ｚ軸時計周り方向にモーメントが作用した場合、歪検出素子１７３ａ及び１７３ｄの抵抗値は増大する一方、歪検出素子１７３ｂ及び１７３ｃの抵抗値は低下する。逆に、Ｚ軸反時計周りにモーメントが作用した場合、歪検出素子１７３ａ及び１７３ｄの抵抗値は低下する一方、歪検出素子１７３ｂの抵抗値及び１７３ｃの抵抗値は増大する。したがって、ブリッジ回路１８ｃは、先の図４（ｃ）に示されるように、歪検出素子１７３ａ及び１７３ｄが互いに対角に配置されるとともに、歪検出素子１７３ｂ及び１７３ｃが互いに対角に配置されるように構成されている。
【００４９】
そして、信号処理部１６は、ブリッジ回路１８ａ〜１８ｃの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔを検出することで、Ｘ軸方向に作用する作用力及びＹ軸方向に作用する作用力並びにＺ軸周りに作用するモーメントの３自由度の作用力を独立して検出することができるようになる。
【００５０】
以上説明したように、第１の実施の形態では、２枚の起歪体１３の素子配置面は同一平面上にあり、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄは、この同一平面上にある素子配置面に配置されていることとした。
【００５１】
背景技術の欄で説明した特許文献１に記載の技術では、手作業にて、第１歪検出板及び第２歪検出板に歪ゲージを配列するしかなく、作業工数が増大しコストがかかってしまうところ、本実施の形態では、例えば印刷技術を使用すれば、同一平面上にある起歪体１３の素子配置面に歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄを配置することは容易であり、作業工数を大幅に低減することができるようになる。また、このように歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄが上記同一平面上にある起歪体１３の素子配置面に配置されるため、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄを容易に配線することができるようになる。したがって、作用力検出装置１０を低コストにて製造することができるようになる。ちなみに、２枚の起歪体１３の素子配置面が同一平面上となるように起歪体１３を製造しようとしても、通常、ばらつきが生じてしまう。こうした起歪体１３のばらつきを考慮しても、起歪体１３の素子配置面に歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄを配置することは容易となる。
【００５２】
また、上記第１の実施の形態では、連結体１４は、連結領域Ｓｄと操作部１２の軸１２ｂとを一体に連結することとした。こうした構成では、Ｚ軸周りのモーメントが作用すると、この作用したモーメントは連結体１４によって増幅された上で起歪体１３の表面に作用する作用力に変換され、起歪体１３の表面に作用する。そして、起歪体１３はこの変換された作用力に応じて弾性変形し、この変形量は歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄによって検出されるようになる。このように、操作部１２の軸１２ｂ周りに作用するモーメントを検出することができるようになり、そもそも、起歪体１３の表面に平行で且つ互いに直交する２軸方向の作用力を検出することはできるため、あわせて３自由度の作用力を検出することができるようになる。
【００５３】
なお、上記第１の実施の形態では、先の図１（ｂ）に示したように、起歪体１３は、同一の平面視形状（平面視Ｉ字型）を有する平板が２枚配列されて構成されていたが、同一の平面視形状に限らない。起歪体の素子配置領域が同一平面上にある限り、起歪体は、互いに異なる平面視形状を有する平板が２枚配列されて構成されていることとしてもよい。
【００５４】
また、上記第１の実施の形態では、先の図１（ｂ）に示したように、起歪体１３は、製造効率の向上を図るべく、同一の平面視形状（平面視Ｉ字型）を有する平板が２枚配列されて構成されていたが、２枚配列された構成に限らない。図１（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ対応する図として図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、起歪体２３は、平面視Ｉ字型を有する平板が予め２枚分配列されて１枚の平板として構成されていてもよい。起歪体２３を１枚の平板にて構成することで、部品点数を低減することができ、組み付けを容易にすることができるようになる。
【００５５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第２の実施の形態を図６及び図７を参照して説明する。なお、図６（ａ）及び（ｂ）は先の図１（ａ）及び（ｂ）に対応する図であって、図６（ａ）は、作用力検出装置３０をＶＩＡ−ＶＩＡ線（図６（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図６（ｂ）は、作用力検出装置３０の平面構造を示す図である。
【００５６】
図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、この第２の実施の形態も、先の第１の実施の形態に準じた構成となっている。ただし、第１の実施の形態では、連結体１４は、単一の部材にて構成されているのに対し、この第２の実施の形態では、連結体２４は、複数の部材が組み合わされて構成されている点で異なっている。以下、第１の実施の形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５７】
図６（ａ）に示されるように、連結体３４は、１個の操作部連結体３４ａ、２個の起歪体連結体３４ｂ、並びに２個の連結部３４ｃが組み合わされて構成されている。
【００５８】
詳しくは、操作部連結体３４ａは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて角柱状に形成されており、上面の略中央に位置する連結領域Ｓｕにおいて、操作部１２の軸１２ｂと一体に連結されている。同様に、起歪体連結体３４ｂは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて角柱状に形成されており、下面全面である連結領域Ｓｄにおいて、起歪体１３の表面（素子配置面）と一体に連結されている。なお、起歪体連結体３４ｂの連結領域Ｓｄは、起歪体１３の長手方向の略中央の部分に対向する。
【００５９】
また、連結部３４ｃは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて円柱状に形成されており、操作部連結体３４ａ及び起歪体連結体３４ｂよりも細く（軸に垂直な断面における断面積が小さく）形成されている。この連結部３４ｃは、操作部連結体３４ａの側面の略中央に位置する連結領域Ｓｓ１において、操作部連結体３４ａと一体に連結されており、起歪体連結体３４ｂの側面中央よりも上方に位置する連結領域Ｓｓ２において、操作部連結体３４ａと一体に連結されている。そして、把持部１２ａに作用力が作用した場合、連結部３４ｃが操作部連結体３４ａ及び起歪体連結体３４ｂよりも細く形成されていることから、連結部３４ｃは操作部連結体３４ａ及び起歪体連結体３４ｂよりも大きく変形する。なお、操作部連結体３４ａ、起歪体連結体３４ｂ、及び連結部３４ｃの形成材料は金属材料以外の弾性材料にて形成してもよい。
【００６０】
図７（ａ）は、先の第１の実施の形態において、操作部１２のＺ軸周りのモーメントが作用した場合に、起歪体１３に作用する作用力及びモーメントを示す図であり、図７（ｂ）は、本実施の形態において、操作部１２のＺ軸周りのモーメントが作用した場合に、起歪体１３に作用する作用力及びモーメントを示す図である。これら図７（ａ）及び（ｂ）の対比から分かるように、作用力検出装置３０を構成する起歪体１３の変形量の方が作用力検出装置１０を構成する起歪体１３の変形量が大きくなっている。
【００６１】
作用力検出装置１０では連結体１４の剛性は大きい。そのため、連結体１４によってモーメントＭｚが作用力ｆｚ２１及びｆｚ３１並びにｆｚ２２及びｆｚ３２に変換される際、連結体１４自体に大きな反力が生じてしまう。こうした反力が生じると、上記モーメントＭｚに起因する起歪体１３の変形量は小さくなり、ブリッジ回路を構成する歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値変化も小さくなる。そのため、Ｚ軸周りのモーメントの検出感度がそれほど高くない。
【００６２】
しかしながら、作用力検出装置３０では連結体３４の剛性は小さい。そのため、モーメントＭｚが作用力ｆｚ２１及びｆｚ３１並びにｆｚ２２及びｆｚ３２に変換される際、連結体３４自体にそれほど大きな反力（図示略）は生じない。それほど大きな反力が生じないため、上記モーメントＭｚに起因する起歪体１３の変形量は比較的大きくなり、ブリッジ回路を構成する歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値変化もそれほど小さくならない。そしてひいては、Ｚ軸周りのモーメントに係る検出感度が高くなる。
【００６３】
なお、上記第２の実施の形態では、先の図６（ｂ）に示したように、連結部３４ｃは、操作部連結体３４ａの側面の略中央に位置する連結領域Ｓｓ１及び起歪体連結体３４ｂの側面中央よりも上方に位置する連結領域Ｓｓ２において、操作部連結体３４ａ及び起歪体連結体３４ｂをそれぞれ一体に連結していたが、連結領域Ｓｓ１及びＳｓ２の位置はこれに限らない。他に例えば、図６（ａ）及び（ｂ）に対応する図として、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、連結部４４ｃは、操作部連結体４４ａの下面の両端に位置する連結領域Ｓｓ３及び起歪体連結体４４ｂの上面略中央に位置する連結領域Ｓｓ４において、操作部連結体４４ａ及び起歪体連結体４４ｂをそれぞれ一体に連結してもよい。こうした連結体４４を有する作用力検出装置４０によっても、上記第２の実施の形態と同様に、Ｚ軸周りのモーメントに係る検出感度を高めることができるようになる。
【００６４】
また、上記第２の実施の形態及びその変形例では、先の図６（ｂ）及び図８（ｂ）にそれぞれ示したように、連結体３４及び４４は複数の部品が組み合わされて構成されていたが、これに限らない。先の第１の実施の形態及びその変形例を構成する連結体１４のように、単一の部品にて構成してもよい。
【００６５】
また、上記第２の実施の形態及びその変形例では、先の図６（ｂ）及び図８（ｂ）にそれぞれ示したように、起歪体１３は、同一の平面視形状（平面視Ｉ字型）を有する平板が２枚配列されて構成されていたが、同一の平面視形状に限らない。起歪体は、互いに異なる平面視形状を有する平板が２枚配列されて構成されていることとしてもよい。
【００６６】
また、上記第２の実施の形態及びその変形例では、先の図６（ｂ）及び図８（ｂ）にそれぞれ示したように、起歪体１３は、製造効率の向上を図るべく、同一の平面視形状（平面視Ｉ字型）を有する平板が２枚配列されて構成されていたが、２枚配列された構成に限らない。先の図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、起歪体２３は、平面視Ｉ字型を有する平板が予め２枚分配列されて１枚の平板として構成されていてもよい。起歪体２３を１枚の平板にて構成することで、部品点数を低減することができ、組み付けを容易にすることができるようになる。
【００６７】
（第３の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第３の実施の形態を図９及び図１０を参照して説明する。なお、図９（ａ）及び（ｂ）は先の図１（ａ）及び（ｂ）に対応する図であって、図９（ａ）は、作用力検出装置５０のＩＸＡ−ＩＸＡ線（図９（ｂ））に沿った側面構造を示す図であり、図９（ｂ）は、作用力検出装置５０の平面構造を示す図である。
【００６８】
図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、この第３の実施の形態も、先の第１の実施の形態及び第２の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、第１の実施の形態及び第２の実施の形態等では、起歪体１３は平面視Ｉ字型の平板が２枚配列されて構成されている、あるいは、起歪体２３は平面視Ｉ字型を有する平板が予め２枚分配列されて１枚の平板として構成されているのに対し、この第３の実施の形態では、起歪体３３は、平面視卍型の平板にて構成されている点で異なっている。また、平面視形状が異なっていることに伴い、連結体５４の構成も異なっている。以下、第１の実施の形態及び第２の実施の形態等と異なる部分を中心に説明する。
【００６９】
図９（ａ）に示されるように、連結体５４は、１個の操作部連結体５４ａ、４個の起歪体連結体５４ｂ、並びに４個の連結部５４ｃ等々が組み合わされて構成されている。
【００７０】
詳しくは、操作部連結体５４ａは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて角柱状に形成されており、上面の略中央に位置する１つの連結領域Ｓｕにおいて、操作部１２の軸１２ｂと一体に連結されている。同様に、起歪体連結体５４ｂは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて、角柱状に形成されており、下面全面である４つの連結領域Ｓｄにおいて、起歪体３３の表面（素子配置面）と一体に連結されている。なお、起歪体連結体５４ｂの連結領域Ｓｄは、起歪体３３の長手方向の先端の部分に対向する。
【００７１】
また、連結部５４ｃは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて円柱状に形成されており、操作部連結体５４ａ及び起歪体連結体５４ｂよりも細く（軸に垂直な断面における断面積が小さく）形成されている。この連結部５４ｃは、操作部連結体５４ａの側面の略中央に位置する連結領域Ｓｓ１において、操作部連結体５４ａと一体に連結されており、起歪体連結体５４ｂの側面中央よりも上方に位置する連結領域Ｓｓ２において、起歪体連結体５４ｂと一体に連結されている。そして、把持部１２ａに作用力が作用した場合、連結部５４ｃが操作部連結体５４ａ及び起歪体連結体５４ｂよりも細く形成されていることから、連結部５４ｃの方が操作部連結体５４ａ及び起歪体連結体５４ｂよりも大きく変形する。なお、操作部連結体５４ａ、起歪体連結体５４ｂ、及び連結部５４ｃの形成材料は金属材料以外の弾性材料にて形成してもよい。
【００７２】
図１０（ａ）及び（ｂ）は、操作部１２のＺ軸周りのモーメントが作用した場合について、起歪体３３に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【００７３】
ユーザによって操作部１２のＺ軸反時計周りにモーメントが加えられたとする。このとき、加えられたモーメントは、軸１２ｂを介して連結体５４に伝達され、図１０（ａ）に示すように、Ｚ軸反時計周りのモーメントＭｚとして連結体５４（詳しくは操作部連結体５４ａ）に作用する。操作部連結体５４ａにモーメントＭｚが作用すると、このモーメントＭｚは、連結部５４ｃを介して起歪体連結体５４ｂに伝達され、起歪体連結体５４ｂにはＹ軸プラス方向に作用力ｆｚ１１が作用する。ここで、連結体５４は起歪体３３と一体に連結されていることから、起歪体連結体５４ｂにＹ軸プラス方向の作用力ｆｚ１１が作用すると、起歪体連結体５４ｂの右方に位置する歪検出素子配置領域には、作用力ｆｚ３１がＺ軸マイナス方向に作用する。このように、作用力ｆｚ１１は、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｚ３１に変換され、起歪体３３に作用することになる。ちなみに、作用力ｆｚ１１及びｆｚ３１が作用するため、起歪体連結体５４ｂの連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｚ１が発生することになる。
【００７４】
以上説明した第３の実施の形態によっても、先の第１の実施の形態及び第２の実施の形態等と同様に、起歪体３３の素子配置面は同一平面上にあり、歪検出素子１７がその同一平面上にある素子配置面に配置されているため、歪検出素子１７を容易に配線することができ、作用力検出装置５０を低コストにて製造することができるようになる。さらに、操作部１２の軸１２ｂ周りに作用するモーメントを検出することができるようになり、そもそも、起歪体３３の表面に平行で且つ互いに直交する２軸方向の作用力を検出することはできるため、あわせて３自由度の作用力を検出することができるようになる。
【００７５】
なお、上記第３の実施の形態では、先の図９に示したように、連結体５４は複数の部品が組み合わされて構成されていたが、これに限らない。先の第１の実施の形態及びその変形例を構成する連結体５４のように、単一の部品にて構成してもよく、この場合、連結部５４ｃを割愛してもよい。
【００７６】
また、上記第３の実施の形態では、先の図９に示したように、起歪体３３は１枚の平板から構成されていたが、１枚の平板に限らない。他に例えば、起歪体３３は、例えば２分割あるいは４分割等され、複数の平板から構成されていてもよい。
【００７７】
（第４の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第４の実施の形態を図１１及び図１２を参照して説明する。なお、図１１（ａ）及び（ｂ）は先の図１（ａ）及び（ｂ）に対応する図であって、図１１（ａ）は、作用力検出装置６０をＸＩＡ−ＸＩＡ線（図１１（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図１１（ｂ）は、作用力検出装置６０の平面構造を示す図である。
【００７８】
これら図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、この第４の実施の形態も、先の第１〜第３の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、これら第１〜第３の実施の形態等では、連結体１４、３４、４４、及び５４等は、各操作部１２の軸１２ｂが起歪体１３、２３及び３３等の素子配置面に対して各々垂直となるように、これら各操作部１２の軸１２ｂと起歪体１３、２３及び３３等の素子配置面とを一体に連結しているのに対し、この第４の実施の形態では、連結体６４は、操作部１２の軸１２ｂが起歪体３３の素子配置面に対して所定角度傾斜するように、これら操作部１２の軸１２ｂと起歪体３３の素子配置面とを一体に連結している点で異なっている。
【００７９】
図１２（ａ）は、操作部１２の軸１２ｂが起歪体１３の素子配置面に対して垂直となるようにこれら操作部１２の軸１２ｂ及び起歪体１３の素子配置面が一体に連結された場合（すなわち、第１〜第３の実施の形態等）において、作用力がＹ軸マイナス方向に作用したときに起歪体１３に作用する作用力を示す模式図である。また、図１２（ｂ）は、操作部１２の軸１２ｂが起歪体１３の素子配置面に対して所定角度傾斜するようにこれら操作部１２の軸１２ｂ及び起歪体１３の素子配置面が一体に連結された場合において、作用力がＹ軸マイナス方向に作用したときに起歪体１３に作用する作用力を示す模式図である。
【００８０】
ユーザによって操作部１２に作用力が加えられ、Ｙ軸マイナス方向に作用力Ｆｙが加えられたとする。このとき、加えられた作用力Ｆｙは、図１２（ａ）に示すように、起歪体１３の素子配置面に平行な方向に作用する作用力ｆｙとして、起歪体１３に作用することになる。一方、ユーザによって操作部１２に作用力が加えられ、Ｙ軸マイナス方向に作用力Ｆｙが加えられたとする。このとき、加えられた作用力Ｆｙは、図１２（ｂ）に示すように、起歪体３３の素子配置面に垂直な方向に作用する作用力ｆｙ１、及び、起歪体３３の素子配置面に平行な方向に作用する作用力ｆｙ２に分解された上で、起歪体１３に作用することになる。このように、起歪体３３の素子配置面（表面）と交差する軸（具体的にはＹ軸及びＺ軸）方向に対する起歪体３３の変形量が大きくなるため、特定の作用力に対する起歪体３３の変形量が大きくなり、結果として、検出感度が向上するようになる。
【００８１】
（第５の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第５の実施の形態を図１３を参照して説明する。なお、図１３は先の図１（ａ）に対応する図であって、図１３は、作用力検出装置７０の側面構造を示す図である。
【００８２】
図１３に示すように、この第５の実施の形態も、先の第１〜第４の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、この第５の実施の形態では、操作部１２に作用する作用力に応じて弾性変形しつつこの作用力を連結体１４に伝達する弾性部材８０が、操作部１２の軸１２ｂに設けられている点で異なっている。
【００８３】
詳しくは、弾性部材８０の形成材料としては、人間の力でも容易に変形させることの可能なゴムやコイルばね等が採用されている。これにより、操作部１２は作用力が作用することで大きく変位するようになり、操作部１２が大きく変位するため、操作者が人間であった場合、作用力を加えたことが容易に分かるようになる。ちなみに、この弾性部材８０がない場合であっても、人間にとって視覚的に確認することは難しいものの、操作部１２に作用する作用力は連結体１４を介して起歪体１３に伝達されている。
【００８４】
（第６の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第６の実施の形態を図１４〜図１９を参照して説明する。なお、図１４は先の図１等に対応する図であって、図１４（ａ）は、作用力検出装置９０をXIVA-XIVA線（図１４（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図１４（ｂ）は、作用力検出装置９０の平面構造を示す図である。この図１４（ａ）及び（ｂ）を参照して、作用力検出装置９０の構成について説明する。
【００８５】
図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、この第６の実施の形態も、第１の実施の形態に準じた構成となっている。ただし、第１の実施の形態では、計１２個の歪検出素子を起歪体１３の表面に配置していたが、この第６の実施の形態では、それぞれ４個の歪検出素子を有する４つの歪検出部（すなわち、計１６個の歪検出素子）を起歪体１３の表面に配置している点で異なっている。以下、第１の実施の形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８６】
起歪体１３は、図１４（ｂ）に示すように、２枚の平面視Ｉ字型の平板がこれら平板の各表面が同一平面となるように配列されて構成されており、操作部１２に作用する作用力の方向に応じて異なる態様にて該起歪体１３の表面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に弾性変形する。また、この起歪体１３の表面（詳しくは上面）には、起歪体１３の変形を検出する４つの歪検出部１７ｅ〜１７ｈ及びこれら歪検出部１７ｅ〜１７ｈを構成する歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｈを用いたブリッジ回路１８ｅ〜１８ｇ（図１８）に電源を供給するための図示しない複数の電極が配置されている。
【００８７】
以下の説明では、便宜上、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸プラス方向側に位置する平板の、連結体１４よりもＸ軸プラス方向に位置する部位を起歪体第１部位１３ｅとし、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸プラス方向側に位置する平板の、連結体１４よりもＸ軸マイナス方向側に位置する部位を起歪体第２部位１３ｆとし、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸マイナス方向側に位置する平板の、連結体１４よりもＸ軸マイナス方向側に位置する部位を起歪体第３部位１３ｇとし、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸マイナス方向側に位置する平板の、連結体１４よりもＸ軸プラス方向側に位置する部位を起歪体第４部位１３ｈとする。また、平板の、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈよりもＹ軸方向に幅が広い部位を起歪体固定部位１３ｉとし、この起歪体固定部位１３ｉがハウジング１５にて固定される部位である。
【００８８】
歪検出部１７ｅは、起歪体第１部位１３ｅに配置されており、この歪検出部１７ｅを構成する歪検出素子１７１ｅ〜１７１ｅは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第１部位１３ｅのＺ軸方向の弾性変形を検出するための歪検出素子である。また、歪検出部１７ｆは、起歪体第２部位１３ｆに配置されており、この歪検出部１７ｇを構成する歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第２部位１３ｆのＺ軸方向の変形を検出するための歪検出素子である。また、歪検出部１７ｇは、起歪体第３部位１３ｇに配置されており、歪検出部１７ｇを構成する歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第３部位１３ｇのＺ軸方向の変形を検出するための歪検出素子である。また、歪検出部１７ｈは、起歪体第４部位１３ｈに配置されており、この歪検出部１７ｈを構成する歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第４部位１３ｈのＺ軸方向の変形を検出するための歪検出素子である。なお、起歪体第１部位１３ｅの表面における歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｅの配置位置、起歪体第２部位１３ｆの表面における歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆの配置位置、起歪体第３部位１３ｇの表面における歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの配置位置、及び起歪体第４部位１３ｈの表面における歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈの配置位置については後述する。
【００８９】
信号処理部１６ａは、歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｈを組み合わせて構成されたブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈを有して構成されており、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの検出信号に基づいて、操作部１２に作用する作用力を検出する。なお、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈ及び信号処理部１６ａについては後述する。
【００９０】
以上のように構成された作用力検出装置９０の動作について図１５（ａ）及び（ｂ）並びに図１６（ｃ）及び（ｄ）を参照しつつ説明する。なお、図１５（ａ）は操作部１２にＸ軸プラス方向への作用力が作用した場合について、図１５（ｂ）は操作部１２にＹ軸プラス方向への作用力が作用した場合について、図１６（ｃ）は操作部１２にＺ軸プラス方向への作用力が作用した場合について、図１６（ｄ）は操作部１２のＺ軸反時計周りのモーメントが作用した場合について、起歪体１３（起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈ）に作用する作用力をそれぞれ示す図である。ただし、図１５（ａ）、（ｂ）及び図１６（ｄ）については、先の図２（ａ）〜（ｃ）と同様であるため、ここでの説明を割愛する。
【００９１】
ユーザによって操作部１２のＺ軸プラス方向に作用力が加えられたとする。このとき、加えられた作用力は、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図１６（ｃ）に示すように、Ｚ軸プラス方向の作用力Ｆｚとして連結体１４に作用する。連結体１４に作用力Ｆｚが作用すると、連結体１４の左端部にはＺ軸プラス方向に作用力ｆｚ１３が作用し、連結体１４の右端部にはＺ軸プラス方向に作用力ｆｚ１４が作用する。ここで、連結体１４は起歪体１３と一体に連結されていることから、連結体１４の左端部に作用力ｆｚ１３が作用すると、連結体１４の左端部よりもＸ軸プラス方向に位置する素子配置領域、すなわち起歪体第４部位１３ｈには、作用力ｆｚ２３がＺ軸プラス方向に作用し、連結体１４の左端部よりもＸ軸マイナス方向に位置する素子配置領域、すなわち起歪体第３部位１３ｇには、作用力ｆｚ３３がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｚ１４が作用すると、連結体１４の右端部よりもＸ軸プラス方向に位置する素子配置領域、すなわち起歪体第１部位１３ｅには、作用力ｆｚ２４がＺ軸プラス方向に作用し、連結体１４の右端部よりもＸ軸マイナス方向に位置する素子配置領域、すなわち起歪体第２部位１３ｆには、作用力ｆｚ３４がＺ軸プラス方向に作用する。このように、作用力Ｆｚは、連結体１４によって、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｚ２３及びｆｚ３３並びにｆｚ２４及びｆｚ３４に変換され、起歪体１３に作用することになる。
【００９２】
図１７（ａ）は、起歪体固定部位１３ｉを含めた起歪体第３部位１３ｇの拡大平面図であり、図１７（ｂ）は、Ｚ軸プラス方向の作用力Ｆｚ１３が作用することに起因して起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形した場合における歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの変形態様を側面方向から示す拡大図である。
【００９３】
これら図１７（ａ）及び（ｂ）に示されるように、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇにはＸ軸方向の引張が生じる一方、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇにはＸ軸方向の圧縮が生じる。また、図示を割愛するが、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸マイナス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇにはＸ軸方向の圧縮が生じる一方、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇにはＸ軸方向の引張が生じる。
【００９４】
このように、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸プラス方向の弾性変形に伴って引張が生じるとともに、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸マイナス方向の弾性変形に伴って圧縮が生じるように、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇは起歪体第３部位１３ｇの上面に配置されている。また、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸プラス方向の弾性変形に伴って圧縮が生じるとともに、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸マイナス方向の弾性変形に伴って引張が生じるように、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇは起歪体第３部位１３ｇの上面に配置されている。
【００９５】
なお、起歪体第３部位１３ｇの上面に配置される歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇに限らず、起歪体第１部位１３ｅの上面に配置される歪検出素子１７１ｅ〜１７１ｈ、起歪体第２部位１３ｆの上面に配置される歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆ、及び起歪体第４部位１３ｈの上面に配置される歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈについても同様である。
【００９６】
このような歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｇの配置位置は、材料力学上、起歪体１３に作用する作用力の大きさ、すなわち操作部１２に作用する作用力の大きさ、起歪体１３の材質等によっては変化せず、連結体１４から起歪体固定部位１３ｉまでの距離によって特定される。なお、歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｇの配置位置は、例えばＣＡＥ（Computer Aided Engineering)等によって特定可能である。
【００９７】
図１８（ａ）は、起歪体第３部位１３ｇの表面に歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇを上述したように配置し、且つ、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形した場合における歪検出素子１７１ｅ１７４ｅの抵抗値の変化を一覧にて示す図である。
【００９８】
この図１８（ａ）に示されるように、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの抵抗値は増加する（引張が生じるため）。逆に、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇの抵抗値は減少する（圧縮が生じるため）。
【００９９】
なお、図示を省略するが、起歪体第１部位１３ｅがＺ軸方向に弾性変形する場合における歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｅの抵抗値の変化、起歪体第２部位１３ｆがＺ軸方向に弾性変形する場合における歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆの抵抗値の変化、起歪体第４部位１３ｈがＺ軸プラス方向に弾性変形する場合における歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈの抵抗値の変化についても同様である。
【０１００】
上記図１７及び図１８並びに上記説明から、歪検出部１７ｅ〜１７ｈは、起歪体１３の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が増大するように起歪体１３の上面に配置される歪検出素子と、起歪体１３のその同一の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が減少するように起歪体１３の上面に配置された歪検出素子とをそれぞれ含んでいる。
【０１０１】
図１８（ｂ）は、図１８（ａ）に示す抵抗値の変化を踏まえたブリッジ回路１８ｇの構成例を示す図である。この図１８（ｂ）に示されるように、ブリッジ回路１８ｇは、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸方向における弾性変形に対する抵抗値の変化態様が同一である歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇを互いに対角に有するとともに、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸方向における弾性変形に対する抵抗値の変化態様は同一だが歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの抵抗値の変化態様とは逆である歪検出素子１７３ｇ及び１７３ｈを互いに対角に有する。
【０１０２】
なお、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇを有するブリッジ回路１８ｇに限らず、歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｅを有するブリッジ回路１８ｅ、歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆを有するブリッジ回路１８ｆ、及び歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈを有するブリッジ回路１８ｈについても同様である。
【０１０３】
そして、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈがＺ軸プラス方向に弾性変形するとき、正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力し、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈがＺ軸マイナス方向に弾性変形するとき、負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。
【０１０４】
図１９は、操作部１２に作用する作用力の別に、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの極性を一覧にて示す図である。
【０１０５】
先の図１５（ａ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「１行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第２部位１３ｆ及び起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｆ及びブリッジ回路１８ｇは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する一方、起歪体第１部位１３ｅ及び起歪体第４部位１３ｈがＺ軸マイナス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｈは負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＸ軸マイナス方向への作用力が作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「２行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。
【０１０６】
先の図１５（ｂ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「３行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第３部位１３ｇ及び起歪体第４部位１３ｈがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｇ及びブリッジ回路１８ｈは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する一方、起歪体第１部位１３ｅ及び起歪体第２部位１３ｆがＺ軸マイナス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｆは負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＹ軸マイナス方向への作用力が作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「４行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。
【０１０７】
先の図１６（ｃ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「５行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ〜ブリッジ回路１８ｈは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＺ軸マイナス方向への作用力が作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「６行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。
【０１０８】
先の図１６（ｄ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「７行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第１部位１３ｅ及び起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｇは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する一方、起歪体第２部位１３ｆ及び起歪体第４部位１３ｈがＺ軸マイナス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｈは負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＺ軸時計回り方向へのモーメントが作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「８行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。
【０１０９】
信号処理部１６ａは、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの極性の組み合わせを判断することで、Ｘ軸方向に作用する作用力及びＹ軸方向に作用する作用力並びにＺ軸周りに作用するモーメント（すなわち、第１の実施の形態の３自由度）に加え、Ｚ軸方向に作用する作用力を合わせた４自由度の作用力を検出する。
【０１１０】
また、起歪体１３のＺ軸方向の弾性変形量は、操作部１２に作用する作用力の大きさに比例し、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの大きさは、起歪体１３のＺ軸方向の弾性変形量（ひずみ量）に比例するめ、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの大きさは、操作部１２に作用する作用力の大きさに比例する。したがって、信号処理部１６ａは、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの大きさから、上記４自由度の作用力の大きさも検出する。
【０１１１】
以上説明したように、第６の実施の形態では、それぞれ４個の歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｈを有する４つの歪検出部１７ｅ〜１７ｈ（すなわち、計１６個の歪検出素子）を起歪体１３の表面に配置することとした。これにより、Ｘ軸方向に作用する作用力、Ｙ軸方向に作用する作用力、及びＺ軸周りに作用するモーメントの３自由度の作用力に加え、Ｚ軸方向に作用する作用力のあわせて４自由度の作用力を検出することができるようになる。
【０１１２】
（第７の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第７の実施の形態を図２０及び図２１を参照して説明する。なお、図２０は先の図１４（ｂ）に対応する図であって、作用力検出装置１００の平面構造を示す図である。
【０１１３】
図２０に示すように、この第７の実施の形態も、第６の実施の形態に準じた構成となっている。ただし、第６の実施の形態では、起歪体１３の２枚の平板はＹ軸方向の幅がそれぞれ一定であるのに対し、この第７の実施の形態では、起歪体１１３の２枚の平板は連結体近傍広がり部１１３ａと固定部位近傍広がり部１１３ｂとをそれぞれ有している点で異なっている。なお、連結体近傍広がり部１１３ａ及び固定部位近傍広がり部１１３ｂは、特許請求の範囲に記載の連結体側広がり部及び先端側広がり部にそれぞれ相当する。
【０１１４】
図２１（ｃ）に、広がり部を有していない起歪体第３部位１３ｇの拡大平面図を示し、図２１（ｂ）に、Ｚ軸プラス方向の作用力が起歪体第３部位１３ｇに作用した場合における起歪体第３部位１３ｇの弾性変形量（ひずみ量）の推移を破線にて示す。
【０１１５】
図２１（ｂ）に破線にて示されるように、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量は、ハウジング１５に固定される部位である起歪体固定部位１３ｉにおいてＺ軸プラス方向に最大であり、この起歪体固定部位１３ｉから離れ連結体１４の固定部位に近づくにつれて直線的に減少し、連結体固定部位においてＺ軸マイナス方向に最大である。このひずみ量の傾向は、起歪体第３部位１３ｇに限らず、起歪体第１部位１３ｅ、起歪体第２部位１３ｆ、及び起歪体第４部位１３ｈにも同様にあらわれる。
【０１１６】
ここで、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの機能を最大限に発揮するには、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量が最大となる位置に歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇを配置することが望ましい。
【０１１７】
しかしながら、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇを配置するにはある程度の配置領域を必要とするため、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量が最大となる起歪体固定部位１３ｉに歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇを配置するとともに、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量が最大となる連結体固定部位に歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇを配置することはできず、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量が最大とはならない起歪体固定部位１３ｉ近傍に起歪体歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇを配置するとともに、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量が最大とはならない連結体固定部位近傍に歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇを配置せざるを得ない。そのため、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの機能を最大限に発揮することはできない。
【０１１８】
この場合、さらに、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量は直線的に推移することから、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの起歪体第３部位１３ｇにおける配置位置が互いに僅かにずれただけで、あるいは、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇの起歪体第３部位１３ｇにおける配置位置が互いに僅かにずれただけで、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量に対する歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの出力がばらついてしまう。そしてひいては、作用力検出装置は、起歪体１３の表面における歪検出素子１７の配置位置に対するロバスト性が低い装置となってしまう。
【０１１９】
また、起歪体１３のひずみ量に対しては、弾性変形を繰り返すことを考慮して疲労破断等が生じない耐久条件（上限）がある。歪検出素子１７の配置位置における起歪体１３のひずみ量が耐久条件を満足するひずみ量となるように起歪体１３を構成すると、起歪体固定部位１３ｉにおけるひずみ量及び連結体固定部位におけるひずみ量は耐久条件を上回るひずみ量となってしまい、作用力検出装置は、耐久性に欠けた装置となってしまう。
【０１２０】
そこで、本実施の形態では、起歪体１１３の２枚の平板は連結体近傍広がり部１１３ａと固定部位近傍広がり部１１３ｂとを有することとした。詳しくは、図２０に示すように、連結体近傍広がり部１１３ａは、起歪体１１３と連結部１４との連結部である、起歪体１３のＸ軸方向略中央部へ向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備えており、固定部位近傍広がり部１１３ｂは、両先端部である起歪体固定部位１１３ｉに向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備えている。
【０１２１】
このような連結体近傍広がり部１１３ａと固定部位近傍広がり部１１３ｂとを有する起歪体第３部位１１３ｇの拡大平面図を図２１（ｃ）に示し、Ｚ軸プラス方向の作用力が起歪体第３部位１１３ｇに作用した場合における起歪体第３部位１１３ｇの弾性変形量（ひずみ量）の推移を図２１（ｂ）に実線にて示す。
【０１２２】
図２１（ｂ）に実線にて示されるように、起歪体第３部位１１３ｇのひずみ量は、起歪体固定部位１１３ｉから固定部位近傍広がり部１１３ｂが設けられている部位までの一定範囲においてＺ軸プラス方向に最大で且つ略一定となり、起歪体固定部位１１３ｉから離れ連結体固定部位に近づくにつれて直線的に減少し、連結体近傍広がり部１１３ａが設けられている部位から連結体固定部位までの一定範囲においてＺ軸マイナス方向に最大で且つ略一定となる。このひずみ量の傾向は、起歪体第３部位１１３ｇに限らず、起歪体第１部位１１３ｅ、起歪体第２部位１１３ｆ、及び起歪体第４部位１１３ｈにも同様にあらわれる。
【０１２３】
起歪体１１３が固定部位近傍広がり部１１３ｂを有することにより、起歪体第３部位１１３ｇのひずみ量が起歪体固定部位１１３ｉから固定部位近傍広がり部１１３ｂが設けられている部位までの一定範囲においてＺ軸プラス方向に略一定となるため、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの起歪体第３部位１３ｇにおける配置位置が互いに上記一定範囲内で僅かにずれたとしても、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量に対する歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの出力のばらつきは少なくなる。
【０１２４】
同様に、起歪体１１３が連結体近傍広がり部１１３ａを有することにより、起歪体第３部位１１３ｇのひずみ量が連結体近傍広がり部１１３ａが設けられている部位から連結体固定部位までの一定範囲においてＺ軸マイナス方向に略一定となるため、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇの起歪体第３部位１３ｇにおける配置位置が互いに上記一定範囲内で僅かにずれたとしても、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量に対する歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇの出力のばらつきは少なくなる。
【０１２５】
このように、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量に対する歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの出力のばらつきが少なくなることから、作用力検出装置１００は、起歪体１３の表面における歪検出素子１７の配置位置に対するロバスト性が高い装置となる。
【０１２６】
また、上記固定部近傍広がり角度β（図２０参照）を設定することで起歪体１１３の起歪体固定部位１１３ｉにおける最大ひずみ量を調整することが可能であり、上記連結体近傍広がり角度α（図２０参照）を設定することで起歪体１１３の連結体近傍部位における最大ひずみ量を調整することが可能である。
【０１２７】
本実施の形態では、当該作用力検出装置１００の体格の大きさを考慮して、連結体近傍広がり部１１３ａの上記一対の斜辺を、起歪体１１３の幅方向中心線Ｃ３とのなす角度である連結体近傍広がり角度αが「１５度〜４５度」となるように形成するとともに、固定部位近傍広がり部１１３ｂの上記一対の斜辺を、起歪体１１３の幅方向中心線Ｃ３とのなす角度である固定部近傍広がり角度が「１５度〜４５度」となるように形成した。
【０１２８】
これにより、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの配置位置における起歪体１３のひずみ量を上記耐久条件を満足する最大ひずみ量とすることができるようになり、その結果、作用力検出装置１００の耐久性を確保しつつも、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの機能を最大限に発揮することができるようになる。
【０１２９】
なお、本実施の形態では、当該作用力検出装置１００の体格の大きさを考慮して、連結体近傍広がり角度αが「１５度〜４５度」となり、且つ、固定部近傍広がり角度が「１５度〜４５度」となるように形成したがこれに限らない。これら広がり角度α及びβについては、作用力検出装置１００の体格の大きさ（すなわち、起歪体１１３のＸ軸方向の長さ）、連結体１４の起歪体１１３への固定方法、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｈの配置位置等によって最適な角度（範囲）が異なるため、上記「１５度〜４５度」に限らず、適宜変更可能である。ちなみに、起歪体１１３のＸ軸方向の長さが長いほど、これら広がり角度α及びβを大きく設定するとよい。
【０１３０】
また、本実施の形態では、起歪体１１３は連結体近傍広がり部１１３ａ及び固定部位近傍広がり部１１３ｂの双方とも有していたがこれに限らない。起歪体１１３は、連結体近傍広がり部１１３ａ及び固定部位近傍広がり部１１３ｂの少なくともいずれか一方を有していればよい。これによっても、起歪体１１３の表面における歪検出素子１７の配置位置に対するロバスト性を向上することは可能である。
【０１３１】
（第８の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第８の実施の形態を図２２を参照して説明する。なお、図２２は先の図１等に対応する図であって、図２２（ａ）は、作用力検出装置１１０をXXIIA-XXIIA線（図２２（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図２２（ｂ）は、作用力検出装置１１０の平面構造を示す図である。
【０１３２】
図２２に示すように、この第８の実施の形態も、先の第１〜第７の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、この第８の実施の形態では、連結体１１４は、曲げ加工された単一の板材によって構成されていること点で異なっている。
【０１３３】
詳しくは、図２２に示されるように、連結体１１４は、操作部１２の軸１２ｂと一体に連結される操作部連結部１１４ａ、起歪体１３と一体に連結される起歪体連結部１１４ｂ、並びにこれら操作部連結部１１４ａ及び起歪体連結部１１４ｂを一体に連結する連結部１１４ｃを有している。これら操作部連結部１１４ａ、起歪体連結部１１４ｂ、及び連結部１１４ｃを有する連結体１１４を板材の曲げ加工にて製作することで、連結体１１４の製作が容易になることから、当該作用力検出装置１１０を低コストで実現することができるようになる。
【０１３４】
（第９の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第９の実施の形態を図２３を参照して説明する。なお、図２３は先の図１等に対応する図であって、図２３（ａ）は、作用力検出装置１２０をXXIIIA-XXIIIA線（図２３（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図２３（ｂ）は、作用力検出装置１２０の平面構造を示す図である。
【０１３５】
図２３に示すように、この第９の実施の形態も、先の第１〜第８の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、この第９の実施の形態では、連結体１２４は、起歪体１３の裏面と操作部１２の軸１２ｂとを一体に連結してもよい。連結体１２４と連結するための領域を起歪体１３の表面に確保する必要がなくなることから、起歪体１３を小さくすることができ、ひいては、当該作用力検出装置１２０の体格の小型化を図ることができるようになる。ちなみに、起歪体１３の裏面が特許請求の範囲に記載の素子配置面とは反対側の面に相当する。
【０１３６】
（第１０の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第１０の実施の形態を図２４及び図２５を参照して説明する。なお、図２４は先の図１（ａ）等に対応する図であって、作用力検出装置１３０の断面構造を示す図である。図２５（ａ）及び（ｂ）は、連結体１３４の正面構造及び側面構造をそれぞれ示す図である。
【０１３７】
これら図２４及び図２５に示すように、この第１０の実施の形態も、先の第１〜第９の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、この第１０の実施の形態では、連結体１３４は、複数回折り返された単一の板ばねによって構成されている。
【０１３８】
連結体１３４は、起歪体１３と操作部１２の軸１２ｂとを一体に連結して操作部１２に作用した作用力を起歪体１３に伝達する本来の効果を奏することはもちろんのこと、操作部１２に作用する作用力に応じて板ばねが弾性変形することから、先の第５の実施の形態の作用力検出装置７０（図１３）に準じた効果、すなわち作用力が作用することによって操作部１２が大きく変化するため、操作者が作用力を加えたことが容易に分かるようになる効果も奏する。
【０１３９】
また、連結体１３４である板ばねは、例えばプレス加工によって板ばねを加工することによって作製されている。このプレス加工の際、板ばねのＸ軸方向の幅、板ばねのＹ軸方向における折り返し回数、及び板ばねのＺ軸方向における折り返す高さ等を調整することで、Ｘ軸方向の作用力であろうと、Ｙ軸方向の作用力であろうと、作用力の方向によらず、操作部１２に加えた作用力に対する操作部１２の変位は、ほぼ等しくなっている。そのため、違和感のない操作性が実現されている。
【０１４０】
なお、本実施の形態では、連結体１３４は単一の板ばねによって構成されていたが、これに限らない。他に例えば、図２５（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ対応する図として図２６（ａ）及び（ｂ）に示すように、連結体１４４は２つの板ばね１４４ａ及び１４４ｂが組み合わされて構成されていることとしてもよい。上記第１０の実施の形態のように連結体１３４を単一の板ばねによって構成しようとすると、板ばねの形状が複雑であることから、１度のプレス加工にて板ばねを加工することが難しく、複数回プレス加工を行う必要が生じる場合がある。
【０１４１】
これに対し、変形例のように、上記連結体１３４を構成する単一の板ばねを上面の中心点を通るＸ−Ｙ平面にて２分割した２つの板ばね１４４ａ及び１４４ｂを組み合わせることによって連結体１４４を構成すると、板ばね１４４ａ及び１４４ｂの形状は複雑とならないことから、１度のプレス加工にて容易に加工することが可能である。したがって、この変形例によれば、作用力検出装置１３０をより低コストに実現することが可能である。なお、板ばね１４４ａ及び１４４ｂを互いに一体に固定して連結体１４４とした後、この連結体１４４を起歪体１３及び操作部１２に組付けてもよく、板ばね１４４ａ及び１４４ｂを個別に起歪体１３に固定することによりこれら板ばね１４４ａ及び１４４ｂを互いに一体に固定して連結体１４４とした後、この連結体１４４に操作部１２（の軸１２ｂ）を組付けてもよく、板ばね１４４ａ及び１４４ｂを個別に操作部１２（の軸１２ｂ）に固定することによりこれら板ばね１４４ａ及び１４４ｂを互いに一体に固定して連結体１４４とした後、この連結体１４４を操作部１２とともに起歪体１３に組みつけても良い。組み付け方は任意である。
【符号の説明】
【０１４２】
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，９０，１００，１１０，１２０，１３０…作用力検出装置、１２…操作部、１２ａ…把持部、１２ｂ…軸、１３，２３，３３，４３，１１３…起歪体、１３ｅ…起歪体第１部位、１３ｆ…起歪体第２部位、１３ｇ…起歪体第３部位，１３ｈ…起歪体第４部位，１３ｉ…起歪体固定部位、１４，３４，４４，５４，６４，１１４，１２４，１３４…連結体、１５…ハウジング、１６，１６ａ…信号処理部、１７（１７１ａ〜１７３ｄ，１７１ｅ〜１７４ｈ）…歪検出素子、１７ｅ〜１７ｈ…歪検出部、１８ａ〜１８ｃ，１８ｅ〜１８ｈ…ブリッジ回路、３４ａ，４４ａ，５４ａ…操作部連結体、３４ｂ，４４ｂ，５４ｂ…起歪体連結体、３４ｃ，４４ｃ，５４ｃ…連結部、８０…弾性部材、１１３ａ…連結体近傍広がり部、１１３ｂ…固定部位近傍広がり部、１４４ａ，１４４ｂ…板ばね、操作部連結部…１１４ａ、起歪体連結部…１１４ｂ、連結部…１１４ｃ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載ナビゲーション装置の表示画面上を移動するカーソルの移動方向を指示するなどの操作をするためのポインティングデバイスに適用して有益な作用力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、作用力検出装置として例えば特許文献１に記載の技術が知られている。この文献に記載の技術では、弾性を有する第１歪検出板及び第２歪検出板が平面視十字型に組みつけられ、これら組みつけられた第１歪検出板及び第２歪検出板は、ベースプレートの表面に垂直な状態にてそのベースプレートにさらに組みつけられている。また、第１歪検出板及び第２歪検出板の表面には、これら歪検出板の長手方向に直交する方向を歪検出方向とする歪ゲージが配列されている。
【０００３】
また、作用力検出装置として例えば特許文献２に記載の技術が知られている。この文献に記載の技術では、弾性を有する弾性板と、この弾性板の中央に設けられるとともに少なくとも下方部が弾性金属線からなる操作部と、この弾性板の変形を検出するための４つの歪検出素子とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１２８１４２号公報
【特許文献２】特開平１０−１９７３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の技術では、ベースプレート表面をＸ−Ｙ平面とし、ベースプレート表面に垂直な方向をＺ軸方向とすると、第１及び第２歪検出板が弾性を有することから、第１及び第２歪検出板は、Ｘ軸方向に作用する力及びＹ軸方向に作用する力によって歪むだけでなく、Ｚ軸周りのモーメントに起因して生じる作用力によっても歪む。したがって、上記特許文献１に記載の技術では、Ｘ軸方向に作用する力及びＹ軸方向に作用する力並びにＺ軸周りのモーメントに起因して生じる作用力の３自由度の作用力を検出することが可能である。しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、第１及び第２歪検出板の両面、すなわち複数の面に歪ゲージが使用されている。そのため、はんだ付けするなどによりこれら歪ゲージから配線を取り出す工程は複雑となり、コストがかかってしまう。
【０００６】
一方、上記特許文献２に記載の技術では、４つの歪検出素子を全て弾性板の同一の表面に設けるため、歪検出素子から容易に配線を取り出すことができるようにはなる。しかしながら、弾性板の表面をＸ−Ｙ平面とし、弾性板の表面に垂直な方向をＺ軸方向とすると、弾性板は平面視矩形型の平板であることから、Ｚ軸周りのモーメントが作用したとしても、このモーメントに起因して変形する量はごく微量である。そのため、Ｚ軸周りのモーメントに起因して生じる弾性板の変形を歪検出素子によって検出することは難しく、Ｘ軸方向に作用する作用力及びＹ軸方向に作用する作用力の２自由度の作用力のみ検出することができるに過ぎない。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、容易に配線することができ、且つ、３自由度の作用力を検出することができる作用力検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
こうした目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、軸を有する操作部に作用する作用力に応じて弾性変形する平板状の起歪体と、前記起歪体の変形を検出する少なくとも４個の歪検出素子とを備え、前記歪検出素子の検出信号に基づいて前記操作部に作用する作用力を検出する作用力検出装置であって、前記歪検出素子は、前記起歪体の１つの素子配置面にすべて配置されており、前記起歪体と前記操作部の軸とを一体に連結する連結体を備えることを特徴とする。
【０００９】
作用力検出装置としてのこのような構成では、操作部の軸周りにモーメントが作用すると、この作用したモーメントは連結体によって起歪体の素子配置面に作用する作用力に変換され、その起歪体の素子配置面に作用する。連結体が起歪体と操作部の軸とを一体に連結するため、連結体によってモーメントは増幅された上で起歪体の表面に作用する。そして、起歪体はこの増幅されたモーメントに起因して生じる作用力に応じて弾性変形し、この変形量は歪検出素子によって検出されるようになる。このように、操作部の軸周りに作用するモーメントを容易に検出することができるようになり、そもそも、起歪体の同一面に平行で且つ互いに直交する２軸方向の作用力を検出することはできるため、あわせて３自由度の作用力を検出することができるようになる。
【００１０】
また、作用力検出装置としての上記構成では、上記特許文献１に記載の技術とは異なり、起歪体の素子配置面に歪検出素子が配置されるため、歪検出素子を容易に配線することができるようになる。そしてひいては、作用力検出装置を低コストにて製造することができるようになる。
【００１１】
ところで、連結体の剛性が高い場合にあっては、上記モーメントが上記作用力に変換される際、連結体自体に大きな反力が生じる。こうした反力が生じると、上記モーメントに起因する起歪体の変形量は小さくなり、作用力の検出感度はそれほど高くない。
【００１２】
そこで、請求項１に記載の構成において、請求項２に記載の発明のように、前記連結体は、一部が当該連結体の他の部分よりも細く形成されていることが望ましく、具体的には、請求項３に記載の発明のように、前記連結体は、前記操作部の軸と一体に連結される操作部連結体、前記起歪体と一体に連結される起歪体連結体、並びにこれら操作部連結体及び起歪体連結体を一体に連結する連結部を有しており、前記連結部は、前記操作部連結体及び前記起歪体連結体よりも細く形成されていることが望ましい。これにより、連結体自体に生じる反力を小さくすることができるようになり、上記モーメントに起因する起歪体の変形量はそれほど小さくならなくなる。そしてひいては、作用力の検出感度の向上を図ることができるようになる。
【００１３】
なお、連結体の剛性を低くするには、上記請求項２に記載の構成あるいは上記請求項３に記載の構成の他に、請求項４に記載の発明のように、前記連結体は、少なくとも一部分が弾性材料にて形成されていることとしてもよい。ちなみに、この請求項４に記載の構成は、上記請求項２あるいは３に記載の構成と併用することが可能であり、これら請求項２〜４に記載の構成を併用する場合、作用力の検出感度のさらなる向上を図ることができるようになる。
【００１４】
また、請求項１〜４のいずれかに記載の構成においては、請求項５に記載の発明のように、前記連結体は、前記操作部の軸が前記起歪体の素子配置面に対して垂直となるように、これら操作部の軸と起歪体とを一体に連結したり、請求項６に記載の発明のように、前記連結体は、前記操作部の軸が前記起歪体の素子配置面に対して所定角度傾斜するように、これら操作部の軸と起歪体とを一体に連結したりすることができる。上記請求項６に記載の発明によれば、例えば操作部の軸周りの作用するモーメント等、特定の作用力に対する起歪体の変形量が大きくなり、結果として、検出感度が向上するようになる。
【００１５】
上記請求項１〜６のいずれかに記載の構成において、請求項７に記載の発明では、前記操作部の軸に設けられ、前記操作部に作用する作用力に応じて弾性変形しつつ、この作用力を前記連結体に伝達する弾性部材をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
弾性部材として、人間の力でも容易に変形させることの可能なゴムやばね（詳しくはコイルばね）等を採用した場合、操作部は作用力が作用することで大きく変位するようになる。操作部が大きく変位するため、操作者が作用力を加えたことが容易に分かるようになる。
【００１７】
なお、請求項１に記載の構成においては、請求項８に記載の発明のように、前記連結体は、曲げ加工された単一の板材によって構成されていることとしてもよい。板材の曲げ加工にて連結体を製作することで、連結体の製作が容易になることから、当該装置を低コストで実現することができるようになる。
【００１８】
あるいは、請求項１に記載の構成においては、請求項９に記載の発明のように、前記連結体は、複数回折り返された板ばねによって構成されており、前記操作部に作用する作用力に応じて弾性変形しつつ、この作用力を前記起歪体に伝達することとしてもよい。
【００１９】
上記請求項９に記載の構成によれば、連結体は、起歪体と操作部の軸とを一体に連結して操作部に作用した作用力を起歪体に伝達する本来の効果を奏することはもちろんのこと、操作部に作用する作用力に応じて板ばねが弾性変形することから、上記請求項７の弾性部材に準じた効果、すなわち、作用力が作用することによって操作部が大きく変位するため、操作者は作用力を加えたことが容易に分かるようになる効果も奏するようになる。
【００２０】
また、上記請求項９に記載の構成では、複数回折り返された板ばねが用いられることから、折り返す回数や板ばねの幅等を調整することにより、起歪体の素子配置面に平行な方向であればその方向によらず、操作部に加えた作用力に対する操作部の変位をほぼ等しくすることができるようになる。そしてひいては、違和感のない操作性を実現することができるようになる。
【００２１】
上記請求項９に記載の構成において、請求項１０に記載の発明のように、連結体は単一の板ばねによって構成されていることとしてもよい。例えばプレス加工によって板ばねを加工することで、連結体を単一の板ばねによって構成することが可能である。
【００２２】
ただし、例えばプレス加工によって板ばねを加工する場合、請求項１１に記載の発明のように、連結体は２つの板ばねが組み合わされて構成されいてもとよい。単一の板ばねによって連結体を構成しようとすると、板ばねの形状が複雑であることから、１度のプレス加工にて板ばねを加工することが難しく、複数回プレス加工を行う必要が生じる場合がある。２つの板ばねを組み合わせることによって連結体を構成しようとすると、板ばねの形状は複雑とならないことから、１度のプレス加工にて板ばねを容易に加工することができる。したがって、当該装置をより低コストに実現することができるようになる。
【００２３】
上記請求項１〜１１のいずれかに記載の構成において、連結体は起歪体の素子配置面にて連結されていることとしてもよく、請求項１２に記載の発明のように、連結体は起歪体の前記素子配置面と反対側の面に連結されていることとしてもよい。請求項１２に記載の構成によれば、連結体を連結するための領域を起歪体の素子配置面に確保する必要がなくなることから、起歪体を小さくすることができ、ひいては、当該作用力検出装置の体格の小型化を図ることができるようになる。
【００２４】
上記請求項１〜１２のいずれかに記載の構成において、請求項１３に記載の発明では、前記起歪体の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が増大するように前記素子配置面に配置された歪検出素子と、前記起歪体のその同一の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が減少するように前記素子配置面に配置された歪検出素子とを含む歪検出部を、少なくとも４つ備えることとした。
【００２５】
作用力検出装置としてのこのような構成では、操作部の軸方向に作用力が作用すると、この作用した作用力は連結体を介して起歪体の素子配置面に作用する。起歪体は連結体を介して作用した作用力に応じて弾性変形し、この変形量は歪検出素子によって検出されるようになる。これにより、起歪体の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が増大するように素子配置面に配置された歪検出素子と起歪体のその同一の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が減少するように素子配置面に配置された歪検出素子により、起歪体の素子配置面に垂直な方向の作用力を検出することができるようになり、起歪体の素子配置面に平行で且つ互いに直交する２軸方向の作用力及び操作部の軸周りのモーメントの上記請求項１の３自由度に加え、起歪体の素子配置面に垂直な方向の作用力を含めたあわせて４自由度の作用力を検出することができるようになる。なお、歪検出素子としては、圧膜抵抗体であってもよく、請求項１４に記載の発明のように、ひずみゲージであってもよい。
【００２６】
また、請求項１５に記載の発明のように、前記起歪体は、平面視Ｉ字型の平板であることとしてもよく、請求項２２に記載の発明のように、前記起歪体は、平面視卍型の平板であることとしてもよい。
【００２７】
上記請求項１５に記載の構成において、請求項１６に記載の発明では、前記起歪体は、両先端部に、先端に近づくほど幅が広がる先端側広がり部を有する平面視Ｉ字型の平板であることとした。これにより、先端側広がり部が設けられている範囲における起歪体のひずみ量が略一定となるため、歪検出素子の配置位置がその範囲内でずれたとしても、起歪体のひずみ量に対する歪検出素子の出力のばらつきが少なくなる。そのため、当該作用力検出装置は、起歪体の表面における歪検出素子の配置位置に対するロバスト性が高い装置となる。なお、上記請求項１６に記載の構成において、請求項１７に記載の発明のように、前記先端側広がり部は、先端側へ向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備え、それら一対の斜辺は、前記起歪体の幅方向中心線とのなす角度がいずれも「１５度〜４５度」に形成されていることが望ましい。
【００２８】
上記請求項１５〜１７のいずれかに記載の構成において、請求項１８に記載の発明では、前記起歪体は、前記連結体との連結部に近づくほど幅が広がる連結体側広がり部を有する平面視Ｉ字型の平板であることとした。これにより、連結体側広がり部が設けられている範囲における起歪体のひずみ量が略一定となるため、歪検出素子の起歪体における配置位置がその範囲内でずれたとしても、起歪体のひずみ量に対する歪検出素子の出力のばらつきは少なくなる。そのため、当該作用力検出装置は、起歪体の表面における歪検出素子の配置位置に対するロバスト性が高い装置となる。なお、上記請求項１８に記載の構成において、請求項１９に記載の発明のように、前記連結体側広がり部は、前記連結部との連結部へ向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備え、それら一対の斜辺は、前記起歪体の幅方向中心線とのなす角度がいずれも「１５度〜４５度」に形成されていることが望ましい。
【００２９】
起歪体が平面視Ｉ字型の平板である場合、請求項２０に記載の発明のように、前記起歪体は、２枚の平板から構成されることとしてもよいし、請求項２１に記載の発明のように、前記起歪体は、２つの平面視Ｉ字型の平板からなる１枚の平板から構成されることとしてもよい。ちなみに、請求項２０に記載の構成によれば、部品点数を低減することができ、組み付けを容易にすることができるようになる。一方、請求項２１に記載の構成によれば、起歪体の製造効率の向上を図ることができるようになる。同様に、起歪体が平面視卍型の平板である場合、請求項２３に記載の発明のように、前記起歪体は、複数の平板から構成されることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る作用力検出装置の第１の実施の形態について、（ａ）はＩＡ−ＩＡ線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図２】第１の実施の形態において、（ａ）は操作部にＸ軸方向への作用力が作用した場合について、（ｂ）は操作部にＹ軸方向への作用力が作用した場合について、（ｃ）は操作部のＺ軸周りのモーメントが作用した場合について、起歪体に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【図３】第１の実施の形態において、操作部に作用する作用力及びモーメントに起因して生じる歪検出素子の抵抗値の変化を一覧にて示す図である。
【図４】第１の実施の形態において、（ａ）は操作部のＸ軸方向に作用する作用力を検出するためのブリッジ回路の構成例を示す回路図である。（ｂ）は操作部のＹ軸方向に作用する作用力を検出するためのブリッジ回路の構成例を示す回路図である。（ｃ）は操作部のＺ軸周りのモーメントを検出するためのブリッジ回路の構成例を示す回路図である。
【図５】第１の実施の形態の変形例について、（ａ）はVA-VA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図６】本発明に係る作用力検出装置の第２の実施の形態について、（ａ）はVIA-VIA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図７】（ａ）は、第１の実施の形態において、操作部のＺ軸周りのモーメントが作用した場合に、起歪体に作用する作用力及びモーメントを示す図であり、（ｂ）は、第２の実施の形態において、操作部のＺ軸周りのモーメントが作用した場合に、起歪体に作用する作用力及びモーメントを示す図である。
【図８】第２の実施の形態の変形例について、（ａ）はVIIIA−VIIIA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図９】本発明に係る作用力検出装置の第３の実施の形態について、（ａ）はIXA-IXA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図１０】第３の実施の形態において、（ａ）及び（ｂ）は操作部のＺ軸周りのモーメントが作用した場合について、起歪体に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【図１１】本発明に係る作用力検出装置の第４の実施の形態について、（ａ）はXIA-XIA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図１２】（ａ）は、操作部の軸が起歪体の素子配置面に対して垂直となるように、これら操作部の軸及び起歪体の素子配置面が一体に連結された場合において、作用力がＹ軸マイナス方向に作用したときに起歪体に作用する作用力を示す模式図である。（ｂ）は、操作部の軸が起歪体の素子配置面に対して所定角度傾斜するように、これら操作部の軸及び起歪体の素子配置面が一体に連結された場合において、作用力がＹ軸マイナス方向に作用したときに起歪体に作用する作用力を示す模式図である。
【図１３】本発明に係る作用力検出装置の第５の実施の形態について、その側面構造を示す図である。
【図１４】本発明に係る作用力検出装置の第６の実施の形態について、（ａ）はXIVA−XIVA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図１５】第６の実施の形態において、（ａ）は操作部にＸ軸方向への作用力が作用した場合について、（ｂ）は操作部にＹ軸方向への作用力が作用した場合について、起歪体に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【図１６】第６の実施の形態において、（ｃ）は操作部のＺ軸方向への作用力が作用した場合について、（ｄ）は操作部のＺ軸周りのモーメントが作用した場合について、起歪体に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【図１７】第６の実施の形態において、操作部のＺ軸方向への操作力が作用した場合について、（ａ）は歪検出素子の圧縮及び引張態様を示す側面図であり、（ｂ）は歪検出素子の配置態様を示す平面図である。
【図１８】第６の実施の形態において、（ａ）は、操作部のＸ軸方向、操作部のＹ軸方向、操作部のＺ軸方向、およびＺ軸周りのモーメントを検出するためのブリッジ回路の構成例を示す回路図であり、（ｂ）は、操作部にＺ軸プラス方向に作用力が作用した場合における歪検出素子の抵抗値の変化を一覧にて示す図である。
【図１９】第６の実施の形態において、操作部に作用する作用力及びモーメントの別に、ブリッジ回路の出力の極性を一覧にて示す図である。
【図２０】本発明に係る作用力検出装置の第７の実施の形態について、平面構造を示す図である。
【図２１】（ａ）は、広がり部を有している起歪体（第７の実施の形態）の一部の平面構造を示す図であり、（ｃ）は、広がり部を有していない起歪体（第１〜６の実施の形態等）の一部の平面構造を示す図である。（ｂ）は、広がり部を有している起歪体のひずみ量を実線にて示すとともに、広がり部を有していない起歪体のひずみ量を破線にて示す図である。
【図２２】本発明に係る作用力検出装置の第８の実施の形態について、（ａ）はXXIIA-XXIIA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図２３】本発明に係る作用力検出装置の第９の実施の形態について、（ａ）はXXIIIA-XXIIIA線を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、（ｂ）は平面構造を示す図である。
【図２４】本発明に係る作用力検出装置の第１０の実施の形態について、全体の断面構造を側面方向から示す図である。
【図２５】第１０の実施の形態について、（ａ）及び（ｂ）は連結体の正面構造及び側面構造をそれぞれ示す図である。
【図２６】第１０の実施の形態の変形例について、（ａ）及び（ｂ）は連結体の正面構造及び側面構造をそれぞれ示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る作用力検出装置の第１の実施の形態について、図１〜図４を参照しつつ説明する。なお、図１（ａ）は、作用力検出装置１０をＩＡ−ＩＡ線（図１（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図１（ｂ）は、作用力検出装置１０の平面構造を示す図である。はじめに、この図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、作用力検出装置１０の構成について説明する。
【００３２】
図１（ａ）に示されるように、作用力検出装置１０は、操作部１２、起歪体１３、連結体１４、ハウジング１５、及び信号処理部１６等々を備えて構成されている。
【００３３】
このうち、操作部１２は、把持部１２ａ及び軸１２ｂを有して構成されている。操作部１２の把持部１２ａは、ユーザが直接操作する部分であり、適宜の材料にて平面視円状に形成されている。操作部１２の軸１２ｂは、把持部１２ａの中心から把持部１２ａの表面に対し垂直に伸長するように、把持部１２ａと一体に円柱にて形成されている。このように構成されることで、操作部１２の把持部１２ａに作用する作用力は、操作部１２の軸１２ｂ及び連結体１４を介して起歪体１３に伝達される。
【００３４】
起歪体１３は、図１（ｂ）に示すように、２枚の平面視Ｉ字型の平板がこれら平板の各表面が同一平面となるように配列されて構成されており、操作部１２に作用する作用力に応じて主に起歪体１３の表面に垂直な方向（後述のＺ軸方向）に弾性変形する。また、この起歪体１３の表面（詳しくは上面）には、起歪体１３の変形を検出する複数の歪検出素子１７（詳しくは歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄ）及びこれら歪検出素子１７を用いたブリッジ回路に電源を供給するための図示しない複数の電極が配置されている。なお、起歪体１３の表面（上面）が特許請求の範囲に記載の起歪体の素子配置面に相当する。
【００３５】
ここで、起歪体１３の表面に平行で且つ互いに直交する２軸であるＸ軸及びＹ軸の各々のプラス方向を、図１（ｂ）で下方に向かう方向及び右方に向かう方向とし、これらＸ軸方向及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向を、起歪体１３の表面に垂直な方向とする。このとき、起歪体１３の表面に配置された歪検出素子１７のうち歪検出素子１７１ａ〜１７１ｄは、操作部１２に作用する作用力のうちＸ軸方向に作用する作用力に起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子である。また、起歪体１３の表面に配置された歪検出素子１７のうち歪検出素子１７２ａ〜１７２ｄは、操作部１２に作用する作用力のうちＹ軸方向に作用する作用力に起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子である。また、起歪体１３の表面に配置された歪検出素子１７のうち歪検出素子１７３ａ〜１７３ｄは、操作部１２に作用する作用力のうちＺ軸周りに作用するモーメントに起因して生じる起歪体１３の変形を検出するための歪検出素子である。
【００３６】
なお、歪検出素子１７（１７１ａ〜１７３ｄ）については公知であるため、ここでの詳しい説明を割愛する。また、本実施の形態では、Ｘ軸方向に作用する作用力、Ｙ軸方向に作用する作用力、及びＺ軸周りに作用するモーメントの３自由度の作用力各々について、歪検出素子１７が４個（計１２個）配置されていたが、これに限らず、少なくとも計４個配置されていれば、これら３自由度の作用力を検出することはできる。
【００３７】
連結体１４は、平面視矩形状且つ側面視コの字型状にて、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料から形成されている。この連結体１４は、上面の長手方向略中央に位置する連結領域Ｓｕにおいて、操作部１２の軸１２ｂと一体に連結されており、下面の両端部に位置する連結領域Ｓｄにおいて、起歪体１３と一体に連結されている。なお、連結体１４の連結領域Ｓｄは、起歪体１３の長手方向の略中央の部分に対向する。また、操作部１２の軸１２ｂの軸心Ｃ１から連結領域Ｓｄの中心線Ｃ２までの距離ｒは、操作部１２の軸１２ｂの半径よりも長く設定されている。ここで、中心線Ｃ２とは、連結領域Ｓｄの中心を通り、且つ、連結領域Ｓｄに垂直な線である。さらに、連結体１４は、操作部１２の軸１２ｂが起歪体１３の表面に対して垂直となるように、これら操作部１２の軸１２ｂと起歪体１３の表面とを一体に連結している。
【００３８】
ハウジング１５は、適宜の材料によって形成されており、上記起歪体１３を保持し、ひいては起歪体１３に一体に連結される連結体１４や、この連結体１４に一体に連結される操作部１２等々も保持する。なお、ハウジング１５には、起歪体１３の歪検出素子１７が配置される部分に対向する箇所に凹部が形成されている。この凹部により、起歪体１３がその表面に垂直な方向に弾性変形しても、その弾性変形は阻害されないようになる。
【００３９】
信号処理部１６は、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄを組み合わせて構成されたブリッジ回路１８ａ〜１８ｃを有して構成されており、ブリッジ回路１８ａ〜１８ｃの検出信号に基づいて、操作部１２に作用する作用力を検出する。なお、ブリッジ回路１８ａ〜１８ｃについては図３及び図４を参照しつつ後述する。
【００４０】
以上のように構成された作用力検出装置１０の動作について図２（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明する。なお、図２（ａ）は操作部１２にＸ軸プラス方向への作用力が作用した場合について、図２（ｂ）は操作部１２にＹ軸プラス方向への作用力が作用した場合について、図２（ｃ）は操作部１２のＺ軸反時計周りのモーメントが作用した場合について、起歪体１３に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【００４１】
ユーザによって操作部１２のＸ軸プラス方向に作用力が加えられたとする。このとき、加えられた作用力は、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図２（ａ）に示すように、Ｘ軸プラス方向の作用力Ｆｘとして連結体１４に作用する。連結体１４に作用力Ｆｘが作用すると、連結体１４の左端部にはＸ軸プラス方向に作用力ｆｘ１１が作用し、連結体１４の右端部にはＸ軸プラス方向に作用力ｆｘ１２が作用する。ここで、連結体１４は起歪体１３と一体に連結されていることから、連結体１４の左端部に作用力ｆｘ１１が作用すると、連結体１４の左端部よりも図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｘ２１がＺ軸マイナス方向に作用し、連結体１４の左端部よりも図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｘ３１がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｘ１２が作用すると、連結体１４の右端部よりも図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｘ２２がＺ軸マイナス方向に作用し、連結体１４の右端部よりも図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｘ３２がＺ軸プラス方向に作用する。このように、作用力Ｆｘは、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｘ２１及びｆｘ３１並びにｆｘ２２及びｆｘ３２に変換され、起歪体１３に作用することになる。ちなみに、作用力ｆｘ２１及びｆｘ３１が作用するため、連結体１４の左端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｘ１が発生し、作用力ｆｘ２２及びｆｘ３２が作用するため、連結体１４の右端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｘ２が発生することになる。
【００４２】
また、ユーザによって操作部１２のＹ軸プラス方向に作用力が加えられたとする。このとき、加えられた作用力は、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図２（ｂ）に示すように、Ｙ軸プラス方向の作用力Ｆｙとして連結体１４に作用する。連結体１４に作用力Ｆｙが作用すると、連結体１４の左端部にはＺ軸プラス方向に作用力ｆｙ１１が作用し、連結体１４の右端部にはＺ軸マイナス方向に作用力ｆｙ１２が作用する。ここで、連結体１４は起歪体１３と一体に連結されていることから、連結体１４の左端部に作用力ｆｙ１１が作用すると、連結体１４の左端部よりも図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｙ２１がＺ軸プラス方向に作用し、連結体１４の左端部の図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｙ３１がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｙ１２が作用すると、連結体１４の右端部の図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｙ２２がＺ軸マイナス方向に作用し、連結体１４の左端部の図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｙ３２がＺ軸マイナス方向に作用する。このように、作用力Ｆｙは、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｙ２１及びｆｙ３１並びにｆｙ２２及びｆｙ３２に変換され、起歪体１３に作用することになる。
【００４３】
また、ユーザによって操作部１２のＺ軸反時計周りにモーメントが加えられたとする。このとき、加えられたモーメントは、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図２（ｃ）に示すように、Ｚ軸反時計周りのモーメントＭｚとして連結体１４に作用する。連結体１４にモーメントＭｚが作用すると、連結体１４の左端部にはＸ軸プラス方向に作用力ｆｚ１１が作用し、連結体１４の右端部にはＸ軸マイナス方向に作用力ｆｚ１２が作用する。ここで、連結体１４は起歪体１３と一体に連結されていることから、連結体１４の左端部に作用力ｆｚ１１が作用すると、連結体１４の左端部よりも図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｚ２１がＺ軸マイナス方向に作用し、連結体１４の左端部よりも図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｚ３１がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｚ１２が作用すると、連結体１４の右端部よりも図の下方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｚ２２がＺ軸プラス方向に作用し、連結体１４の右端部よりも図の上方に位置する素子配置領域には、作用力ｆｚ３２がＺ軸マイナス方向に作用する。このように、作用力Ｆｚは、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｚ２１及びｆｚ３１並びにｆｚ２２及びｆｚ３２に変換され、起歪体１３に作用することになる。ちなみに、作用力ｆｚ２１及びｆｚ３１が作用するため、連結体１４の左端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｚ１が発生し、作用力ｆｚ２２及びｆｚ３２が作用するため、連結体１４の右端部に位置する連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｚ２が発生することになる。
【００４４】
図３は、操作部１２に作用する作用力及びモーメントに起因して生じる歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値の変化を一覧にて示す図である。ちなみに、先の図２（ａ）にて示した動作例においては、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値は図３の「１行目」に示すように変化する。また、先の図２（ｂ）にて示した動作例においては、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値は図３の「３行目」に示すように変化する。また、先の図２（ｃ）にて示した動作例においては、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値は図３の「６行目」に示すように変化する。
【００４５】
こうした歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値の変化の特性を踏まえ、本実施の形態では、操作部１２のＸ軸方向に作用する作用力を検出するためのブリッジ回路１８ａを図４（ａ）に示すように構成する。また、操作部１２のＹ軸方向に作用する作用力を検出するためのブリッジ回路１８ｂを図４（ｂ）に示すように構成する。また、操作部１２のＺ軸周りに作用するモーメントを検出するためのブリッジ回路１８ｃを図４（ｃ）に示すように構成する。
【００４６】
例えば、Ｘ軸プラス方向に作用力が作用した場合、歪検出素子１７１ａの抵抗値及び１７１ｃの抵抗値は増大する一方、歪検出素子１７１ｂの抵抗値及び１７１ｄの抵抗値は低下する。逆に、Ｘ軸マイナス方向に作用力が作用した場合、歪検出素子１７１ａの抵抗値及び１７１ｃの抵抗値は低下する一方、歪検出素子１７１ｂの抵抗値及び１７１ｄの抵抗値は増大する。したがって、先の図４（ａ）に示されるように、ブリッジ回路１８ａは、歪検出素子１７１ａ及び１７１ｃが互いに対角に配置されるとともに、歪検出素子１７１ｂ及び１７１ｄが互いに対角に配置されるように構成されている。
【００４７】
同様に、Ｙ軸プラス方向に作用力が作用した場合、歪検出素子１７２ａの抵抗値及び１７２ｂの抵抗値は増大する一方、歪検出素子１７２ｃの抵抗値及び１７２ｄの抵抗値は低下する。逆に、Ｙ軸マイナス方向に作用力が作用した場合、歪検出素子１７２ａの抵抗値及び１７２ｂの抵抗値は低下する一方、歪検出素子１７２ｃの抵抗値及び１７２ｄの抵抗値は増大する。したがって、ブリッジ回路１８ｂは、先の図４（ｂ）に示されるように、歪検出素子１７２ａ及び１７２ｂが互いに対角に配置されるとともに、歪検出素子１７２ｃ及び１７２ｄが互いに対角に配置されるように構成されている。
【００４８】
また同様に、Ｚ軸時計周り方向にモーメントが作用した場合、歪検出素子１７３ａ及び１７３ｄの抵抗値は増大する一方、歪検出素子１７３ｂ及び１７３ｃの抵抗値は低下する。逆に、Ｚ軸反時計周りにモーメントが作用した場合、歪検出素子１７３ａ及び１７３ｄの抵抗値は低下する一方、歪検出素子１７３ｂの抵抗値及び１７３ｃの抵抗値は増大する。したがって、ブリッジ回路１８ｃは、先の図４（ｃ）に示されるように、歪検出素子１７３ａ及び１７３ｄが互いに対角に配置されるとともに、歪検出素子１７３ｂ及び１７３ｃが互いに対角に配置されるように構成されている。
【００４９】
そして、信号処理部１６は、ブリッジ回路１８ａ〜１８ｃの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔを検出することで、Ｘ軸方向に作用する作用力及びＹ軸方向に作用する作用力並びにＺ軸周りに作用するモーメントの３自由度の作用力を独立して検出することができるようになる。
【００５０】
以上説明したように、第１の実施の形態では、２枚の起歪体１３の素子配置面は同一平面上にあり、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄは、この同一平面上にある素子配置面に配置されていることとした。
【００５１】
背景技術の欄で説明した特許文献１に記載の技術では、手作業にて、第１歪検出板及び第２歪検出板に歪ゲージを配列するしかなく、作業工数が増大しコストがかかってしまうところ、本実施の形態では、例えば印刷技術を使用すれば、同一平面上にある起歪体１３の素子配置面に歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄを配置することは容易であり、作業工数を大幅に低減することができるようになる。また、このように歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄが上記同一平面上にある起歪体１３の素子配置面に配置されるため、歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄを容易に配線することができるようになる。したがって、作用力検出装置１０を低コストにて製造することができるようになる。ちなみに、２枚の起歪体１３の素子配置面が同一平面上となるように起歪体１３を製造しようとしても、通常、ばらつきが生じてしまう。こうした起歪体１３のばらつきを考慮しても、起歪体１３の素子配置面に歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄを配置することは容易となる。
【００５２】
また、上記第１の実施の形態では、連結体１４は、連結領域Ｓｄと操作部１２の軸１２ｂとを一体に連結することとした。こうした構成では、Ｚ軸周りのモーメントが作用すると、この作用したモーメントは連結体１４によって増幅された上で起歪体１３の表面に作用する作用力に変換され、起歪体１３の表面に作用する。そして、起歪体１３はこの変換された作用力に応じて弾性変形し、この変形量は歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄによって検出されるようになる。このように、操作部１２の軸１２ｂ周りに作用するモーメントを検出することができるようになり、そもそも、起歪体１３の表面に平行で且つ互いに直交する２軸方向の作用力を検出することはできるため、あわせて３自由度の作用力を検出することができるようになる。
【００５３】
なお、上記第１の実施の形態では、先の図１（ｂ）に示したように、起歪体１３は、同一の平面視形状（平面視Ｉ字型）を有する平板が２枚配列されて構成されていたが、同一の平面視形状に限らない。起歪体の素子配置領域が同一平面上にある限り、起歪体は、互いに異なる平面視形状を有する平板が２枚配列されて構成されていることとしてもよい。
【００５４】
また、上記第１の実施の形態では、先の図１（ｂ）に示したように、起歪体１３は、製造効率の向上を図るべく、同一の平面視形状（平面視Ｉ字型）を有する平板が２枚配列されて構成されていたが、２枚配列された構成に限らない。図１（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ対応する図として図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、起歪体２３は、平面視Ｉ字型を有する平板が予め２枚分配列されて１枚の平板として構成されていてもよい。起歪体２３を１枚の平板にて構成することで、部品点数を低減することができ、組み付けを容易にすることができるようになる。
【００５５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第２の実施の形態を図６及び図７を参照して説明する。なお、図６（ａ）及び（ｂ）は先の図１（ａ）及び（ｂ）に対応する図であって、図６（ａ）は、作用力検出装置３０をＶＩＡ−ＶＩＡ線（図６（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図６（ｂ）は、作用力検出装置３０の平面構造を示す図である。
【００５６】
図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、この第２の実施の形態も、先の第１の実施の形態に準じた構成となっている。ただし、第１の実施の形態では、連結体１４は、単一の部材にて構成されているのに対し、この第２の実施の形態では、連結体２４は、複数の部材が組み合わされて構成されている点で異なっている。以下、第１の実施の形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５７】
図６（ａ）に示されるように、連結体３４は、１個の操作部連結体３４ａ、２個の起歪体連結体３４ｂ、並びに２個の連結部３４ｃが組み合わされて構成されている。
【００５８】
詳しくは、操作部連結体３４ａは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて角柱状に形成されており、上面の略中央に位置する連結領域Ｓｕにおいて、操作部１２の軸１２ｂと一体に連結されている。同様に、起歪体連結体３４ｂは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて角柱状に形成されており、下面全面である連結領域Ｓｄにおいて、起歪体１３の表面（素子配置面）と一体に連結されている。なお、起歪体連結体３４ｂの連結領域Ｓｄは、起歪体１３の長手方向の略中央の部分に対向する。
【００５９】
また、連結部３４ｃは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて円柱状に形成されており、操作部連結体３４ａ及び起歪体連結体３４ｂよりも細く（軸に垂直な断面における断面積が小さく）形成されている。この連結部３４ｃは、操作部連結体３４ａの側面の略中央に位置する連結領域Ｓｓ１において、操作部連結体３４ａと一体に連結されており、起歪体連結体３４ｂの側面中央よりも上方に位置する連結領域Ｓｓ２において、操作部連結体３４ａと一体に連結されている。そして、把持部１２ａに作用力が作用した場合、連結部３４ｃが操作部連結体３４ａ及び起歪体連結体３４ｂよりも細く形成されていることから、連結部３４ｃは操作部連結体３４ａ及び起歪体連結体３４ｂよりも大きく変形する。なお、操作部連結体３４ａ、起歪体連結体３４ｂ、及び連結部３４ｃの形成材料は金属材料以外の弾性材料にて形成してもよい。
【００６０】
図７（ａ）は、先の第１の実施の形態において、操作部１２のＺ軸周りのモーメントが作用した場合に、起歪体１３に作用する作用力及びモーメントを示す図であり、図７（ｂ）は、本実施の形態において、操作部１２のＺ軸周りのモーメントが作用した場合に、起歪体１３に作用する作用力及びモーメントを示す図である。これら図７（ａ）及び（ｂ）の対比から分かるように、作用力検出装置３０を構成する起歪体１３の変形量の方が作用力検出装置１０を構成する起歪体１３の変形量が大きくなっている。
【００６１】
作用力検出装置１０では連結体１４の剛性は大きい。そのため、連結体１４によってモーメントＭｚが作用力ｆｚ２１及びｆｚ３１並びにｆｚ２２及びｆｚ３２に変換される際、連結体１４自体に大きな反力が生じてしまう。こうした反力が生じると、上記モーメントＭｚに起因する起歪体１３の変形量は小さくなり、ブリッジ回路を構成する歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値変化も小さくなる。そのため、Ｚ軸周りのモーメントの検出感度がそれほど高くない。
【００６２】
しかしながら、作用力検出装置３０では連結体３４の剛性は小さい。そのため、モーメントＭｚが作用力ｆｚ２１及びｆｚ３１並びにｆｚ２２及びｆｚ３２に変換される際、連結体３４自体にそれほど大きな反力（図示略）は生じない。それほど大きな反力が生じないため、上記モーメントＭｚに起因する起歪体１３の変形量は比較的大きくなり、ブリッジ回路を構成する歪検出素子１７１ａ〜１７３ｄの抵抗値変化もそれほど小さくならない。そしてひいては、Ｚ軸周りのモーメントに係る検出感度が高くなる。
【００６３】
なお、上記第２の実施の形態では、先の図６（ｂ）に示したように、連結部３４ｃは、操作部連結体３４ａの側面の略中央に位置する連結領域Ｓｓ１及び起歪体連結体３４ｂの側面中央よりも上方に位置する連結領域Ｓｓ２において、操作部連結体３４ａ及び起歪体連結体３４ｂをそれぞれ一体に連結していたが、連結領域Ｓｓ１及びＳｓ２の位置はこれに限らない。他に例えば、図６（ａ）及び（ｂ）に対応する図として、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、連結部４４ｃは、操作部連結体４４ａの下面の両端に位置する連結領域Ｓｓ３及び起歪体連結体４４ｂの上面略中央に位置する連結領域Ｓｓ４において、操作部連結体４４ａ及び起歪体連結体４４ｂをそれぞれ一体に連結してもよい。こうした連結体４４を有する作用力検出装置４０によっても、上記第２の実施の形態と同様に、Ｚ軸周りのモーメントに係る検出感度を高めることができるようになる。
【００６４】
また、上記第２の実施の形態及びその変形例では、先の図６（ｂ）及び図８（ｂ）にそれぞれ示したように、連結体３４及び４４は複数の部品が組み合わされて構成されていたが、これに限らない。先の第１の実施の形態及びその変形例を構成する連結体１４のように、単一の部品にて構成してもよい。
【００６５】
また、上記第２の実施の形態及びその変形例では、先の図６（ｂ）及び図８（ｂ）にそれぞれ示したように、起歪体１３は、同一の平面視形状（平面視Ｉ字型）を有する平板が２枚配列されて構成されていたが、同一の平面視形状に限らない。起歪体は、互いに異なる平面視形状を有する平板が２枚配列されて構成されていることとしてもよい。
【００６６】
また、上記第２の実施の形態及びその変形例では、先の図６（ｂ）及び図８（ｂ）にそれぞれ示したように、起歪体１３は、製造効率の向上を図るべく、同一の平面視形状（平面視Ｉ字型）を有する平板が２枚配列されて構成されていたが、２枚配列された構成に限らない。先の図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、起歪体２３は、平面視Ｉ字型を有する平板が予め２枚分配列されて１枚の平板として構成されていてもよい。起歪体２３を１枚の平板にて構成することで、部品点数を低減することができ、組み付けを容易にすることができるようになる。
【００６７】
（第３の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第３の実施の形態を図９及び図１０を参照して説明する。なお、図９（ａ）及び（ｂ）は先の図１（ａ）及び（ｂ）に対応する図であって、図９（ａ）は、作用力検出装置５０のＩＸＡ−ＩＸＡ線（図９（ｂ））に沿った側面構造を示す図であり、図９（ｂ）は、作用力検出装置５０の平面構造を示す図である。
【００６８】
図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、この第３の実施の形態も、先の第１の実施の形態及び第２の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、第１の実施の形態及び第２の実施の形態等では、起歪体１３は平面視Ｉ字型の平板が２枚配列されて構成されている、あるいは、起歪体２３は平面視Ｉ字型を有する平板が予め２枚分配列されて１枚の平板として構成されているのに対し、この第３の実施の形態では、起歪体３３は、平面視卍型の平板にて構成されている点で異なっている。また、平面視形状が異なっていることに伴い、連結体５４の構成も異なっている。以下、第１の実施の形態及び第２の実施の形態等と異なる部分を中心に説明する。
【００６９】
図９（ａ）に示されるように、連結体５４は、１個の操作部連結体５４ａ、４個の起歪体連結体５４ｂ、並びに４個の連結部５４ｃ等々が組み合わされて構成されている。
【００７０】
詳しくは、操作部連結体５４ａは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて角柱状に形成されており、上面の略中央に位置する１つの連結領域Ｓｕにおいて、操作部１２の軸１２ｂと一体に連結されている。同様に、起歪体連結体５４ｂは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて、角柱状に形成されており、下面全面である４つの連結領域Ｓｄにおいて、起歪体３３の表面（素子配置面）と一体に連結されている。なお、起歪体連結体５４ｂの連結領域Ｓｄは、起歪体３３の長手方向の先端の部分に対向する。
【００７１】
また、連結部５４ｃは、例えば鉄、アルミ、ステンレス等の金属材料を用いて円柱状に形成されており、操作部連結体５４ａ及び起歪体連結体５４ｂよりも細く（軸に垂直な断面における断面積が小さく）形成されている。この連結部５４ｃは、操作部連結体５４ａの側面の略中央に位置する連結領域Ｓｓ１において、操作部連結体５４ａと一体に連結されており、起歪体連結体５４ｂの側面中央よりも上方に位置する連結領域Ｓｓ２において、起歪体連結体５４ｂと一体に連結されている。そして、把持部１２ａに作用力が作用した場合、連結部５４ｃが操作部連結体５４ａ及び起歪体連結体５４ｂよりも細く形成されていることから、連結部５４ｃの方が操作部連結体５４ａ及び起歪体連結体５４ｂよりも大きく変形する。なお、操作部連結体５４ａ、起歪体連結体５４ｂ、及び連結部５４ｃの形成材料は金属材料以外の弾性材料にて形成してもよい。
【００７２】
図１０（ａ）及び（ｂ）は、操作部１２のＺ軸周りのモーメントが作用した場合について、起歪体３３に作用する作用力及びモーメントをそれぞれ示す図である。
【００７３】
ユーザによって操作部１２のＺ軸反時計周りにモーメントが加えられたとする。このとき、加えられたモーメントは、軸１２ｂを介して連結体５４に伝達され、図１０（ａ）に示すように、Ｚ軸反時計周りのモーメントＭｚとして連結体５４（詳しくは操作部連結体５４ａ）に作用する。操作部連結体５４ａにモーメントＭｚが作用すると、このモーメントＭｚは、連結部５４ｃを介して起歪体連結体５４ｂに伝達され、起歪体連結体５４ｂにはＹ軸プラス方向に作用力ｆｚ１１が作用する。ここで、連結体５４は起歪体３３と一体に連結されていることから、起歪体連結体５４ｂにＹ軸プラス方向の作用力ｆｚ１１が作用すると、起歪体連結体５４ｂの右方に位置する歪検出素子配置領域には、作用力ｆｚ３１がＺ軸マイナス方向に作用する。このように、作用力ｆｚ１１は、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｚ３１に変換され、起歪体３３に作用することになる。ちなみに、作用力ｆｚ１１及びｆｚ３１が作用するため、起歪体連結体５４ｂの連結領域Ｓｄの中心点周りにはモーメントｍｚ１が発生することになる。
【００７４】
以上説明した第３の実施の形態によっても、先の第１の実施の形態及び第２の実施の形態等と同様に、起歪体３３の素子配置面は同一平面上にあり、歪検出素子１７がその同一平面上にある素子配置面に配置されているため、歪検出素子１７を容易に配線することができ、作用力検出装置５０を低コストにて製造することができるようになる。さらに、操作部１２の軸１２ｂ周りに作用するモーメントを検出することができるようになり、そもそも、起歪体３３の表面に平行で且つ互いに直交する２軸方向の作用力を検出することはできるため、あわせて３自由度の作用力を検出することができるようになる。
【００７５】
なお、上記第３の実施の形態では、先の図９に示したように、連結体５４は複数の部品が組み合わされて構成されていたが、これに限らない。先の第１の実施の形態及びその変形例を構成する連結体５４のように、単一の部品にて構成してもよく、この場合、連結部５４ｃを割愛してもよい。
【００７６】
また、上記第３の実施の形態では、先の図９に示したように、起歪体３３は１枚の平板から構成されていたが、１枚の平板に限らない。他に例えば、起歪体３３は、例えば２分割あるいは４分割等され、複数の平板から構成されていてもよい。
【００７７】
（第４の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第４の実施の形態を図１１及び図１２を参照して説明する。なお、図１１（ａ）及び（ｂ）は先の図１（ａ）及び（ｂ）に対応する図であって、図１１（ａ）は、作用力検出装置６０をＸＩＡ−ＸＩＡ線（図１１（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図１１（ｂ）は、作用力検出装置６０の平面構造を示す図である。
【００７８】
これら図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、この第４の実施の形態も、先の第１〜第３の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、これら第１〜第３の実施の形態等では、連結体１４、３４、４４、及び５４等は、各操作部１２の軸１２ｂが起歪体１３、２３及び３３等の素子配置面に対して各々垂直となるように、これら各操作部１２の軸１２ｂと起歪体１３、２３及び３３等の素子配置面とを一体に連結しているのに対し、この第４の実施の形態では、連結体６４は、操作部１２の軸１２ｂが起歪体３３の素子配置面に対して所定角度傾斜するように、これら操作部１２の軸１２ｂと起歪体３３の素子配置面とを一体に連結している点で異なっている。
【００７９】
図１２（ａ）は、操作部１２の軸１２ｂが起歪体１３の素子配置面に対して垂直となるようにこれら操作部１２の軸１２ｂ及び起歪体１３の素子配置面が一体に連結された場合（すなわち、第１〜第３の実施の形態等）において、作用力がＹ軸マイナス方向に作用したときに起歪体１３に作用する作用力を示す模式図である。また、図１２（ｂ）は、操作部１２の軸１２ｂが起歪体１３の素子配置面に対して所定角度傾斜するようにこれら操作部１２の軸１２ｂ及び起歪体１３の素子配置面が一体に連結された場合において、作用力がＹ軸マイナス方向に作用したときに起歪体１３に作用する作用力を示す模式図である。
【００８０】
ユーザによって操作部１２に作用力が加えられ、Ｙ軸マイナス方向に作用力Ｆｙが加えられたとする。このとき、加えられた作用力Ｆｙは、図１２（ａ）に示すように、起歪体１３の素子配置面に平行な方向に作用する作用力ｆｙとして、起歪体１３に作用することになる。一方、ユーザによって操作部１２に作用力が加えられ、Ｙ軸マイナス方向に作用力Ｆｙが加えられたとする。このとき、加えられた作用力Ｆｙは、図１２（ｂ）に示すように、起歪体３３の素子配置面に垂直な方向に作用する作用力ｆｙ１、及び、起歪体３３の素子配置面に平行な方向に作用する作用力ｆｙ２に分解された上で、起歪体１３に作用することになる。このように、起歪体３３の素子配置面（表面）と交差する軸（具体的にはＹ軸及びＺ軸）方向に対する起歪体３３の変形量が大きくなるため、特定の作用力に対する起歪体３３の変形量が大きくなり、結果として、検出感度が向上するようになる。
【００８１】
（第５の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第５の実施の形態を図１３を参照して説明する。なお、図１３は先の図１（ａ）に対応する図であって、図１３は、作用力検出装置７０の側面構造を示す図である。
【００８２】
図１３に示すように、この第５の実施の形態も、先の第１〜第４の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、この第５の実施の形態では、操作部１２に作用する作用力に応じて弾性変形しつつこの作用力を連結体１４に伝達する弾性部材８０が、操作部１２の軸１２ｂに設けられている点で異なっている。
【００８３】
詳しくは、弾性部材８０の形成材料としては、人間の力でも容易に変形させることの可能なゴムやコイルばね等が採用されている。これにより、操作部１２は作用力が作用することで大きく変位するようになり、操作部１２が大きく変位するため、操作者が人間であった場合、作用力を加えたことが容易に分かるようになる。ちなみに、この弾性部材８０がない場合であっても、人間にとって視覚的に確認することは難しいものの、操作部１２に作用する作用力は連結体１４を介して起歪体１３に伝達されている。
【００８４】
（第６の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第６の実施の形態を図１４〜図１９を参照して説明する。なお、図１４は先の図１等に対応する図であって、図１４（ａ）は、作用力検出装置９０をXIVA-XIVA線（図１４（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図１４（ｂ）は、作用力検出装置９０の平面構造を示す図である。この図１４（ａ）及び（ｂ）を参照して、作用力検出装置９０の構成について説明する。
【００８５】
図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、この第６の実施の形態も、第１の実施の形態に準じた構成となっている。ただし、第１の実施の形態では、計１２個の歪検出素子を起歪体１３の表面に配置していたが、この第６の実施の形態では、それぞれ４個の歪検出素子を有する４つの歪検出部（すなわち、計１６個の歪検出素子）を起歪体１３の表面に配置している点で異なっている。以下、第１の実施の形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８６】
起歪体１３は、図１４（ｂ）に示すように、２枚の平面視Ｉ字型の平板がこれら平板の各表面が同一平面となるように配列されて構成されており、操作部１２に作用する作用力の方向に応じて異なる態様にて該起歪体１３の表面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に弾性変形する。また、この起歪体１３の表面（詳しくは上面）には、起歪体１３の変形を検出する４つの歪検出部１７ｅ〜１７ｈ及びこれら歪検出部１７ｅ〜１７ｈを構成する歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｈを用いたブリッジ回路１８ｅ〜１８ｇ（図１８）に電源を供給するための図示しない複数の電極が配置されている。
【００８７】
以下の説明では、便宜上、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸プラス方向側に位置する平板の、連結体１４よりもＸ軸プラス方向に位置する部位を起歪体第１部位１３ｅとし、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸プラス方向側に位置する平板の、連結体１４よりもＸ軸マイナス方向側に位置する部位を起歪体第２部位１３ｆとし、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸マイナス方向側に位置する平板の、連結体１４よりもＸ軸マイナス方向側に位置する部位を起歪体第３部位１３ｇとし、操作部１２の軸１２ｂよりもＹ軸マイナス方向側に位置する平板の、連結体１４よりもＸ軸プラス方向側に位置する部位を起歪体第４部位１３ｈとする。また、平板の、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈよりもＹ軸方向に幅が広い部位を起歪体固定部位１３ｉとし、この起歪体固定部位１３ｉがハウジング１５にて固定される部位である。
【００８８】
歪検出部１７ｅは、起歪体第１部位１３ｅに配置されており、この歪検出部１７ｅを構成する歪検出素子１７１ｅ〜１７１ｅは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第１部位１３ｅのＺ軸方向の弾性変形を検出するための歪検出素子である。また、歪検出部１７ｆは、起歪体第２部位１３ｆに配置されており、この歪検出部１７ｇを構成する歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第２部位１３ｆのＺ軸方向の変形を検出するための歪検出素子である。また、歪検出部１７ｇは、起歪体第３部位１３ｇに配置されており、歪検出部１７ｇを構成する歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第３部位１３ｇのＺ軸方向の変形を検出するための歪検出素子である。また、歪検出部１７ｈは、起歪体第４部位１３ｈに配置されており、この歪検出部１７ｈを構成する歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈは、操作部１２に作用する作用力に起因して生じる起歪体第４部位１３ｈのＺ軸方向の変形を検出するための歪検出素子である。なお、起歪体第１部位１３ｅの表面における歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｅの配置位置、起歪体第２部位１３ｆの表面における歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆの配置位置、起歪体第３部位１３ｇの表面における歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの配置位置、及び起歪体第４部位１３ｈの表面における歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈの配置位置については後述する。
【００８９】
信号処理部１６ａは、歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｈを組み合わせて構成されたブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈを有して構成されており、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの検出信号に基づいて、操作部１２に作用する作用力を検出する。なお、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈ及び信号処理部１６ａについては後述する。
【００９０】
以上のように構成された作用力検出装置９０の動作について図１５（ａ）及び（ｂ）並びに図１６（ｃ）及び（ｄ）を参照しつつ説明する。なお、図１５（ａ）は操作部１２にＸ軸プラス方向への作用力が作用した場合について、図１５（ｂ）は操作部１２にＹ軸プラス方向への作用力が作用した場合について、図１６（ｃ）は操作部１２にＺ軸プラス方向への作用力が作用した場合について、図１６（ｄ）は操作部１２のＺ軸反時計周りのモーメントが作用した場合について、起歪体１３（起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈ）に作用する作用力をそれぞれ示す図である。ただし、図１５（ａ）、（ｂ）及び図１６（ｄ）については、先の図２（ａ）〜（ｃ）と同様であるため、ここでの説明を割愛する。
【００９１】
ユーザによって操作部１２のＺ軸プラス方向に作用力が加えられたとする。このとき、加えられた作用力は、軸１２ｂを介して連結体１４に伝達され、図１６（ｃ）に示すように、Ｚ軸プラス方向の作用力Ｆｚとして連結体１４に作用する。連結体１４に作用力Ｆｚが作用すると、連結体１４の左端部にはＺ軸プラス方向に作用力ｆｚ１３が作用し、連結体１４の右端部にはＺ軸プラス方向に作用力ｆｚ１４が作用する。ここで、連結体１４は起歪体１３と一体に連結されていることから、連結体１４の左端部に作用力ｆｚ１３が作用すると、連結体１４の左端部よりもＸ軸プラス方向に位置する素子配置領域、すなわち起歪体第４部位１３ｈには、作用力ｆｚ２３がＺ軸プラス方向に作用し、連結体１４の左端部よりもＸ軸マイナス方向に位置する素子配置領域、すなわち起歪体第３部位１３ｇには、作用力ｆｚ３３がＺ軸プラス方向に作用する。同様に、連結体１４の右端部に作用力ｆｚ１４が作用すると、連結体１４の右端部よりもＸ軸プラス方向に位置する素子配置領域、すなわち起歪体第１部位１３ｅには、作用力ｆｚ２４がＺ軸プラス方向に作用し、連結体１４の右端部よりもＸ軸マイナス方向に位置する素子配置領域、すなわち起歪体第２部位１３ｆには、作用力ｆｚ３４がＺ軸プラス方向に作用する。このように、作用力Ｆｚは、連結体１４によって、起歪体１３の表面に対して垂直な作用力ｆｚ２３及びｆｚ３３並びにｆｚ２４及びｆｚ３４に変換され、起歪体１３に作用することになる。
【００９２】
図１７（ａ）は、起歪体固定部位１３ｉを含めた起歪体第３部位１３ｇの拡大平面図であり、図１７（ｂ）は、Ｚ軸プラス方向の作用力Ｆｚ１３が作用することに起因して起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形した場合における歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの変形態様を側面方向から示す拡大図である。
【００９３】
これら図１７（ａ）及び（ｂ）に示されるように、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇにはＸ軸方向の引張が生じる一方、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇにはＸ軸方向の圧縮が生じる。また、図示を割愛するが、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸マイナス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇにはＸ軸方向の圧縮が生じる一方、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇにはＸ軸方向の引張が生じる。
【００９４】
このように、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸プラス方向の弾性変形に伴って引張が生じるとともに、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸マイナス方向の弾性変形に伴って圧縮が生じるように、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇは起歪体第３部位１３ｇの上面に配置されている。また、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸プラス方向の弾性変形に伴って圧縮が生じるとともに、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸マイナス方向の弾性変形に伴って引張が生じるように、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇは起歪体第３部位１３ｇの上面に配置されている。
【００９５】
なお、起歪体第３部位１３ｇの上面に配置される歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇに限らず、起歪体第１部位１３ｅの上面に配置される歪検出素子１７１ｅ〜１７１ｈ、起歪体第２部位１３ｆの上面に配置される歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆ、及び起歪体第４部位１３ｈの上面に配置される歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈについても同様である。
【００９６】
このような歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｇの配置位置は、材料力学上、起歪体１３に作用する作用力の大きさ、すなわち操作部１２に作用する作用力の大きさ、起歪体１３の材質等によっては変化せず、連結体１４から起歪体固定部位１３ｉまでの距離によって特定される。なお、歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｇの配置位置は、例えばＣＡＥ（Computer Aided Engineering)等によって特定可能である。
【００９７】
図１８（ａ）は、起歪体第３部位１３ｇの表面に歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇを上述したように配置し、且つ、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形した場合における歪検出素子１７１ｅ１７４ｅの抵抗値の変化を一覧にて示す図である。
【００９８】
この図１８（ａ）に示されるように、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの抵抗値は増加する（引張が生じるため）。逆に、起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形すると、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇの抵抗値は減少する（圧縮が生じるため）。
【００９９】
なお、図示を省略するが、起歪体第１部位１３ｅがＺ軸方向に弾性変形する場合における歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｅの抵抗値の変化、起歪体第２部位１３ｆがＺ軸方向に弾性変形する場合における歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆの抵抗値の変化、起歪体第４部位１３ｈがＺ軸プラス方向に弾性変形する場合における歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈの抵抗値の変化についても同様である。
【０１００】
上記図１７及び図１８並びに上記説明から、歪検出部１７ｅ〜１７ｈは、起歪体１３の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が増大するように起歪体１３の上面に配置される歪検出素子と、起歪体１３のその同一の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が減少するように起歪体１３の上面に配置された歪検出素子とをそれぞれ含んでいる。
【０１０１】
図１８（ｂ）は、図１８（ａ）に示す抵抗値の変化を踏まえたブリッジ回路１８ｇの構成例を示す図である。この図１８（ｂ）に示されるように、ブリッジ回路１８ｇは、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸方向における弾性変形に対する抵抗値の変化態様が同一である歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇを互いに対角に有するとともに、起歪体第３部位１３ｇのＺ軸方向における弾性変形に対する抵抗値の変化態様は同一だが歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの抵抗値の変化態様とは逆である歪検出素子１７３ｇ及び１７３ｈを互いに対角に有する。
【０１０２】
なお、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇを有するブリッジ回路１８ｇに限らず、歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｅを有するブリッジ回路１８ｅ、歪検出素子１７１ｆ〜１７４ｆを有するブリッジ回路１８ｆ、及び歪検出素子１７１ｈ〜１７４ｈを有するブリッジ回路１８ｈについても同様である。
【０１０３】
そして、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈがＺ軸プラス方向に弾性変形するとき、正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力し、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈがＺ軸マイナス方向に弾性変形するとき、負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。
【０１０４】
図１９は、操作部１２に作用する作用力の別に、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの極性を一覧にて示す図である。
【０１０５】
先の図１５（ａ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「１行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第２部位１３ｆ及び起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｆ及びブリッジ回路１８ｇは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する一方、起歪体第１部位１３ｅ及び起歪体第４部位１３ｈがＺ軸マイナス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｈは負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＸ軸マイナス方向への作用力が作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「２行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。
【０１０６】
先の図１５（ｂ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「３行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第３部位１３ｇ及び起歪体第４部位１３ｈがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｇ及びブリッジ回路１８ｈは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する一方、起歪体第１部位１３ｅ及び起歪体第２部位１３ｆがＺ軸マイナス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｆは負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＹ軸マイナス方向への作用力が作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「４行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。
【０１０７】
先の図１６（ｃ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「５行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第１部位１３ｅ〜起歪体第４部位１３ｈがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ〜ブリッジ回路１８ｈは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＺ軸マイナス方向への作用力が作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「６行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。
【０１０８】
先の図１６（ｄ）にて示した動作例においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「７行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。詳しくは、起歪体第１部位１３ｅ及び起歪体第３部位１３ｇがＺ軸プラス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｇは正の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する一方、起歪体第２部位１３ｆ及び起歪体第４部位１３ｈがＺ軸マイナス方向に弾性変形することから、ブリッジ回路１８ｅ及びブリッジ回路１８ｈは負の極性の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、操作部１２にＺ軸時計回り方向へのモーメントが作用した場合においては、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈは、図１８の「８行目」に示す極性の出力電圧Ｖｏｕｔをそれぞれ出力する。
【０１０９】
信号処理部１６ａは、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの極性の組み合わせを判断することで、Ｘ軸方向に作用する作用力及びＹ軸方向に作用する作用力並びにＺ軸周りに作用するモーメント（すなわち、第１の実施の形態の３自由度）に加え、Ｚ軸方向に作用する作用力を合わせた４自由度の作用力を検出する。
【０１１０】
また、起歪体１３のＺ軸方向の弾性変形量は、操作部１２に作用する作用力の大きさに比例し、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの大きさは、起歪体１３のＺ軸方向の弾性変形量（ひずみ量）に比例するめ、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの大きさは、操作部１２に作用する作用力の大きさに比例する。したがって、信号処理部１６ａは、ブリッジ回路１８ｅ〜１８ｈの各中点における出力電圧Ｖｏｕｔの大きさから、上記４自由度の作用力の大きさも検出する。
【０１１１】
以上説明したように、第６の実施の形態では、それぞれ４個の歪検出素子１７１ｅ〜１７４ｈを有する４つの歪検出部１７ｅ〜１７ｈ（すなわち、計１６個の歪検出素子）を起歪体１３の表面に配置することとした。これにより、Ｘ軸方向に作用する作用力、Ｙ軸方向に作用する作用力、及びＺ軸周りに作用するモーメントの３自由度の作用力に加え、Ｚ軸方向に作用する作用力のあわせて４自由度の作用力を検出することができるようになる。
【０１１２】
（第７の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第７の実施の形態を図２０及び図２１を参照して説明する。なお、図２０は先の図１４（ｂ）に対応する図であって、作用力検出装置１００の平面構造を示す図である。
【０１１３】
図２０に示すように、この第７の実施の形態も、第６の実施の形態に準じた構成となっている。ただし、第６の実施の形態では、起歪体１３の２枚の平板はＹ軸方向の幅がそれぞれ一定であるのに対し、この第７の実施の形態では、起歪体１１３の２枚の平板は連結体近傍広がり部１１３ａと固定部位近傍広がり部１１３ｂとをそれぞれ有している点で異なっている。なお、連結体近傍広がり部１１３ａ及び固定部位近傍広がり部１１３ｂは、特許請求の範囲に記載の連結体側広がり部及び先端側広がり部にそれぞれ相当する。
【０１１４】
図２１（ｃ）に、広がり部を有していない起歪体第３部位１３ｇの拡大平面図を示し、図２１（ｂ）に、Ｚ軸プラス方向の作用力が起歪体第３部位１３ｇに作用した場合における起歪体第３部位１３ｇの弾性変形量（ひずみ量）の推移を破線にて示す。
【０１１５】
図２１（ｂ）に破線にて示されるように、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量は、ハウジング１５に固定される部位である起歪体固定部位１３ｉにおいてＺ軸プラス方向に最大であり、この起歪体固定部位１３ｉから離れ連結体１４の固定部位に近づくにつれて直線的に減少し、連結体固定部位においてＺ軸マイナス方向に最大である。このひずみ量の傾向は、起歪体第３部位１３ｇに限らず、起歪体第１部位１３ｅ、起歪体第２部位１３ｆ、及び起歪体第４部位１３ｈにも同様にあらわれる。
【０１１６】
ここで、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの機能を最大限に発揮するには、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量が最大となる位置に歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇを配置することが望ましい。
【０１１７】
しかしながら、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇを配置するにはある程度の配置領域を必要とするため、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量が最大となる起歪体固定部位１３ｉに歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇを配置するとともに、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量が最大となる連結体固定部位に歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇを配置することはできず、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量が最大とはならない起歪体固定部位１３ｉ近傍に起歪体歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇを配置するとともに、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量が最大とはならない連結体固定部位近傍に歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇを配置せざるを得ない。そのため、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの機能を最大限に発揮することはできない。
【０１１８】
この場合、さらに、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量は直線的に推移することから、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの起歪体第３部位１３ｇにおける配置位置が互いに僅かにずれただけで、あるいは、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇの起歪体第３部位１３ｇにおける配置位置が互いに僅かにずれただけで、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量に対する歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの出力がばらついてしまう。そしてひいては、作用力検出装置は、起歪体１３の表面における歪検出素子１７の配置位置に対するロバスト性が低い装置となってしまう。
【０１１９】
また、起歪体１３のひずみ量に対しては、弾性変形を繰り返すことを考慮して疲労破断等が生じない耐久条件（上限）がある。歪検出素子１７の配置位置における起歪体１３のひずみ量が耐久条件を満足するひずみ量となるように起歪体１３を構成すると、起歪体固定部位１３ｉにおけるひずみ量及び連結体固定部位におけるひずみ量は耐久条件を上回るひずみ量となってしまい、作用力検出装置は、耐久性に欠けた装置となってしまう。
【０１２０】
そこで、本実施の形態では、起歪体１１３の２枚の平板は連結体近傍広がり部１１３ａと固定部位近傍広がり部１１３ｂとを有することとした。詳しくは、図２０に示すように、連結体近傍広がり部１１３ａは、起歪体１１３と連結部１４との連結部である、起歪体１３のＸ軸方向略中央部へ向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備えており、固定部位近傍広がり部１１３ｂは、両先端部である起歪体固定部位１１３ｉに向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備えている。
【０１２１】
このような連結体近傍広がり部１１３ａと固定部位近傍広がり部１１３ｂとを有する起歪体第３部位１１３ｇの拡大平面図を図２１（ｃ）に示し、Ｚ軸プラス方向の作用力が起歪体第３部位１１３ｇに作用した場合における起歪体第３部位１１３ｇの弾性変形量（ひずみ量）の推移を図２１（ｂ）に実線にて示す。
【０１２２】
図２１（ｂ）に実線にて示されるように、起歪体第３部位１１３ｇのひずみ量は、起歪体固定部位１１３ｉから固定部位近傍広がり部１１３ｂが設けられている部位までの一定範囲においてＺ軸プラス方向に最大で且つ略一定となり、起歪体固定部位１１３ｉから離れ連結体固定部位に近づくにつれて直線的に減少し、連結体近傍広がり部１１３ａが設けられている部位から連結体固定部位までの一定範囲においてＺ軸マイナス方向に最大で且つ略一定となる。このひずみ量の傾向は、起歪体第３部位１１３ｇに限らず、起歪体第１部位１１３ｅ、起歪体第２部位１１３ｆ、及び起歪体第４部位１１３ｈにも同様にあらわれる。
【０１２３】
起歪体１１３が固定部位近傍広がり部１１３ｂを有することにより、起歪体第３部位１１３ｇのひずみ量が起歪体固定部位１１３ｉから固定部位近傍広がり部１１３ｂが設けられている部位までの一定範囲においてＺ軸プラス方向に略一定となるため、歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの起歪体第３部位１３ｇにおける配置位置が互いに上記一定範囲内で僅かにずれたとしても、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量に対する歪検出素子１７１ｇ及び１７２ｇの出力のばらつきは少なくなる。
【０１２４】
同様に、起歪体１１３が連結体近傍広がり部１１３ａを有することにより、起歪体第３部位１１３ｇのひずみ量が連結体近傍広がり部１１３ａが設けられている部位から連結体固定部位までの一定範囲においてＺ軸マイナス方向に略一定となるため、歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇの起歪体第３部位１３ｇにおける配置位置が互いに上記一定範囲内で僅かにずれたとしても、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量に対する歪検出素子１７３ｇ及び１７４ｇの出力のばらつきは少なくなる。
【０１２５】
このように、起歪体第３部位１３ｇのひずみ量に対する歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの出力のばらつきが少なくなることから、作用力検出装置１００は、起歪体１３の表面における歪検出素子１７の配置位置に対するロバスト性が高い装置となる。
【０１２６】
また、上記固定部近傍広がり角度β（図２０参照）を設定することで起歪体１１３の起歪体固定部位１１３ｉにおける最大ひずみ量を調整することが可能であり、上記連結体近傍広がり角度α（図２０参照）を設定することで起歪体１１３の連結体近傍部位における最大ひずみ量を調整することが可能である。
【０１２７】
本実施の形態では、当該作用力検出装置１００の体格の大きさを考慮して、連結体近傍広がり部１１３ａの上記一対の斜辺を、起歪体１１３の幅方向中心線Ｃ３とのなす角度である連結体近傍広がり角度αが「１５度〜４５度」となるように形成するとともに、固定部位近傍広がり部１１３ｂの上記一対の斜辺を、起歪体１１３の幅方向中心線Ｃ３とのなす角度である固定部近傍広がり角度が「１５度〜４５度」となるように形成した。
【０１２８】
これにより、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの配置位置における起歪体１３のひずみ量を上記耐久条件を満足する最大ひずみ量とすることができるようになり、その結果、作用力検出装置１００の耐久性を確保しつつも、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｇの機能を最大限に発揮することができるようになる。
【０１２９】
なお、本実施の形態では、当該作用力検出装置１００の体格の大きさを考慮して、連結体近傍広がり角度αが「１５度〜４５度」となり、且つ、固定部近傍広がり角度が「１５度〜４５度」となるように形成したがこれに限らない。これら広がり角度α及びβについては、作用力検出装置１００の体格の大きさ（すなわち、起歪体１１３のＸ軸方向の長さ）、連結体１４の起歪体１１３への固定方法、歪検出素子１７１ｇ〜１７４ｈの配置位置等によって最適な角度（範囲）が異なるため、上記「１５度〜４５度」に限らず、適宜変更可能である。ちなみに、起歪体１１３のＸ軸方向の長さが長いほど、これら広がり角度α及びβを大きく設定するとよい。
【０１３０】
また、本実施の形態では、起歪体１１３は連結体近傍広がり部１１３ａ及び固定部位近傍広がり部１１３ｂの双方とも有していたがこれに限らない。起歪体１１３は、連結体近傍広がり部１１３ａ及び固定部位近傍広がり部１１３ｂの少なくともいずれか一方を有していればよい。これによっても、起歪体１１３の表面における歪検出素子１７の配置位置に対するロバスト性を向上することは可能である。
【０１３１】
（第８の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第８の実施の形態を図２２を参照して説明する。なお、図２２は先の図１等に対応する図であって、図２２（ａ）は、作用力検出装置１１０をXXIIA-XXIIA線（図２２（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図２２（ｂ）は、作用力検出装置１１０の平面構造を示す図である。
【０１３２】
図２２に示すように、この第８の実施の形態も、先の第１〜第７の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、この第８の実施の形態では、連結体１１４は、曲げ加工された単一の板材によって構成されていること点で異なっている。
【０１３３】
詳しくは、図２２に示されるように、連結体１１４は、操作部１２の軸１２ｂと一体に連結される操作部連結部１１４ａ、起歪体１３と一体に連結される起歪体連結部１１４ｂ、並びにこれら操作部連結部１１４ａ及び起歪体連結部１１４ｂを一体に連結する連結部１１４ｃを有している。これら操作部連結部１１４ａ、起歪体連結部１１４ｂ、及び連結部１１４ｃを有する連結体１１４を板材の曲げ加工にて製作することで、連結体１１４の製作が容易になることから、当該作用力検出装置１１０を低コストで実現することができるようになる。
【０１３４】
（第９の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第９の実施の形態を図２３を参照して説明する。なお、図２３は先の図１等に対応する図であって、図２３（ａ）は、作用力検出装置１２０をXXIIIA-XXIIIA線（図２３（ｂ））を通る垂直平面で切断した断面構造を示す図であり、図２３（ｂ）は、作用力検出装置１２０の平面構造を示す図である。
【０１３５】
図２３に示すように、この第９の実施の形態も、先の第１〜第８の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、この第９の実施の形態では、連結体１２４は、起歪体１３の裏面と操作部１２の軸１２ｂとを一体に連結してもよい。連結体１２４と連結するための領域を起歪体１３の表面に確保する必要がなくなることから、起歪体１３を小さくすることができ、ひいては、当該作用力検出装置１２０の体格の小型化を図ることができるようになる。ちなみに、起歪体１３の裏面が特許請求の範囲に記載の素子配置面とは反対側の面に相当する。
【０１３６】
（第１０の実施の形態）
次に、本発明に係る作用力検出装置の第１０の実施の形態を図２４及び図２５を参照して説明する。なお、図２４は先の図１（ａ）等に対応する図であって、作用力検出装置１３０の断面構造を示す図である。図２５（ａ）及び（ｂ）は、連結体１３４の正面構造及び側面構造をそれぞれ示す図である。
【０１３７】
これら図２４及び図２５に示すように、この第１０の実施の形態も、先の第１〜第９の実施の形態等に準じた構成となっている。ただし、この第１０の実施の形態では、連結体１３４は、複数回折り返された単一の板ばねによって構成されている。
【０１３８】
連結体１３４は、起歪体１３と操作部１２の軸１２ｂとを一体に連結して操作部１２に作用した作用力を起歪体１３に伝達する本来の効果を奏することはもちろんのこと、操作部１２に作用する作用力に応じて板ばねが弾性変形することから、先の第５の実施の形態の作用力検出装置７０（図１３）に準じた効果、すなわち作用力が作用することによって操作部１２が大きく変化するため、操作者が作用力を加えたことが容易に分かるようになる効果も奏する。
【０１３９】
また、連結体１３４である板ばねは、例えばプレス加工によって板ばねを加工することによって作製されている。このプレス加工の際、板ばねのＸ軸方向の幅、板ばねのＹ軸方向における折り返し回数、及び板ばねのＺ軸方向における折り返す高さ等を調整することで、Ｘ軸方向の作用力であろうと、Ｙ軸方向の作用力であろうと、作用力の方向によらず、操作部１２に加えた作用力に対する操作部１２の変位は、ほぼ等しくなっている。そのため、違和感のない操作性が実現されている。
【０１４０】
なお、本実施の形態では、連結体１３４は単一の板ばねによって構成されていたが、これに限らない。他に例えば、図２５（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ対応する図として図２６（ａ）及び（ｂ）に示すように、連結体１４４は２つの板ばね１４４ａ及び１４４ｂが組み合わされて構成されていることとしてもよい。上記第１０の実施の形態のように連結体１３４を単一の板ばねによって構成しようとすると、板ばねの形状が複雑であることから、１度のプレス加工にて板ばねを加工することが難しく、複数回プレス加工を行う必要が生じる場合がある。
【０１４１】
これに対し、変形例のように、上記連結体１３４を構成する単一の板ばねを上面の中心点を通るＸ−Ｙ平面にて２分割した２つの板ばね１４４ａ及び１４４ｂを組み合わせることによって連結体１４４を構成すると、板ばね１４４ａ及び１４４ｂの形状は複雑とならないことから、１度のプレス加工にて容易に加工することが可能である。したがって、この変形例によれば、作用力検出装置１３０をより低コストに実現することが可能である。なお、板ばね１４４ａ及び１４４ｂを互いに一体に固定して連結体１４４とした後、この連結体１４４を起歪体１３及び操作部１２に組付けてもよく、板ばね１４４ａ及び１４４ｂを個別に起歪体１３に固定することによりこれら板ばね１４４ａ及び１４４ｂを互いに一体に固定して連結体１４４とした後、この連結体１４４に操作部１２（の軸１２ｂ）を組付けてもよく、板ばね１４４ａ及び１４４ｂを個別に操作部１２（の軸１２ｂ）に固定することによりこれら板ばね１４４ａ及び１４４ｂを互いに一体に固定して連結体１４４とした後、この連結体１４４を操作部１２とともに起歪体１３に組みつけても良い。組み付け方は任意である。
【符号の説明】
【０１４２】
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，９０，１００，１１０，１２０，１３０…作用力検出装置、１２…操作部、１２ａ…把持部、１２ｂ…軸、１３，２３，３３，４３，１１３…起歪体、１３ｅ…起歪体第１部位、１３ｆ…起歪体第２部位、１３ｇ…起歪体第３部位，１３ｈ…起歪体第４部位，１３ｉ…起歪体固定部位、１４，３４，４４，５４，６４，１１４，１２４，１３４…連結体、１５…ハウジング、１６，１６ａ…信号処理部、１７（１７１ａ〜１７３ｄ，１７１ｅ〜１７４ｈ）…歪検出素子、１７ｅ〜１７ｈ…歪検出部、１８ａ〜１８ｃ，１８ｅ〜１８ｈ…ブリッジ回路、３４ａ，４４ａ，５４ａ…操作部連結体、３４ｂ，４４ｂ，５４ｂ…起歪体連結体、３４ｃ，４４ｃ，５４ｃ…連結部、８０…弾性部材、１１３ａ…連結体近傍広がり部、１１３ｂ…固定部位近傍広がり部、１４４ａ，１４４ｂ…板ばね、操作部連結部…１１４ａ、起歪体連結部…１１４ｂ、連結部…１１４ｃ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸を有する操作部に作用する作用力に応じて弾性変形する平板状の起歪体と、前記起歪体の変形を検出する少なくとも４個の歪検出素子とを備え、前記歪検出素子の検出信号に基づいて前記操作部に作用する作用力を検出する作用力検出装置であって、
前記歪検出素子は、前記起歪体の１つの素子配置面にすべて配置されており、
前記起歪体と前記操作部の軸とを一体に連結する連結体を備えることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、一部が当該連結体の他の部分よりも細く形成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、前記操作部の軸と一体に連結される操作部連結体、前記起歪体と一体に連結される起歪体連結体、並びにこれら操作部連結体及び起歪体連結体を一体に連結する連結部を有しており、
前記連結部は、前記操作部連結体及び前記起歪体連結体よりも細く形成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、少なくとも分が弾性材料にて形成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、前記操作部の軸が前記起歪体の素子配置面に対して垂直となるように、これら操作部の軸と起歪体とを一体に連結することを特徴とする作用力検出装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、前記操作部の軸が前記起歪体の素子配置面に対して所定角度傾斜するように、これら操作部の軸と起歪体とを一体に連結することを特徴とする作用力検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記操作部の軸に設けられ、前記操作部に作用する作用力に応じて弾性変形しつつ、この作用力を前記連結体に伝達する弾性部材をさらに備えることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項８】
請求項１に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、曲げ加工された単一の板材によって構成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項９】
請求項１に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、複数回折り返された板ばねによって構成されており、前記操作部に作用する作用力に応じて弾性変形しつつ、この作用力を前記起歪体に伝達することを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、単一の板ばねによって構成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は２つの板ばねが組み合わされて構成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、前記起歪体の前記素子配置面とは反対側の面に連結されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が増大するように前記素子配置面に配置された歪検出素子と、前記起歪体のその同一の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が減少するように前記素子配置面に配置された歪検出素子とを含む歪検出部を、少なくとも４つ備えることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の作用力検出装置において、
前記歪検出素子はひずみゲージであることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、平面視Ｉ字型の平板であることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、両先端部に、先端に近づくほど幅が広がる先端側広がり部を有する平面視Ｉ字型の平板であることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の作用力検出装置において、
前記先端側広がり部は、先端側へ向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備え、それら一対の斜辺は、前記起歪体の幅方向中心線とのなす角度がいずれも「１５度〜４５度」に形成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１８】
請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、前記連結体との連結部に近づくほど幅が広がる連結体側広がり部を有する平面視Ｉ字型の平板であることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の作用力検出装置において、
前記連結体側広がり部は、前記連結部との連結部へ向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備え、それら一対の斜辺は、前記起歪体の幅方向中心線とのなす角度がいずれも「１５度〜４５度」に形成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項２０】
請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、２枚の平板にて構成されることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項２１】
請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の作用力検出装置おいて、
前記起歪体は、２つの平面視Ｉ字型の平板からなる１枚の平板にて構成されることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項２２】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、平面視卍型の平板であることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、複数の平板から構成されることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１】
軸を有する操作部に作用する作用力に応じて弾性変形する平板状の起歪体と、前記起歪体の変形を検出する少なくとも４個の歪検出素子とを備え、前記歪検出素子の検出信号に基づいて前記操作部に作用する作用力を検出する作用力検出装置であって、
前記歪検出素子は、前記起歪体の１つの素子配置面にすべて配置されており、
前記起歪体と前記操作部の軸とを一体に連結する連結体を備えることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、一部が当該連結体の他の部分よりも細く形成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、前記操作部の軸と一体に連結される操作部連結体、前記起歪体と一体に連結される起歪体連結体、並びにこれら操作部連結体及び起歪体連結体を一体に連結する連結部を有しており、
前記連結部は、前記操作部連結体及び前記起歪体連結体よりも細く形成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、少なくとも分が弾性材料にて形成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、前記操作部の軸が前記起歪体の素子配置面に対して垂直となるように、これら操作部の軸と起歪体とを一体に連結することを特徴とする作用力検出装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、前記操作部の軸が前記起歪体の素子配置面に対して所定角度傾斜するように、これら操作部の軸と起歪体とを一体に連結することを特徴とする作用力検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記操作部の軸に設けられ、前記操作部に作用する作用力に応じて弾性変形しつつ、この作用力を前記連結体に伝達する弾性部材をさらに備えることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項８】
請求項１に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、曲げ加工された単一の板材によって構成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項９】
請求項１に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、複数回折り返された板ばねによって構成されており、前記操作部に作用する作用力に応じて弾性変形しつつ、この作用力を前記起歪体に伝達することを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、単一の板ばねによって構成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は２つの板ばねが組み合わされて構成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記連結体は、前記起歪体の前記素子配置面とは反対側の面に連結されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が増大するように前記素子配置面に配置された歪検出素子と、前記起歪体のその同一の弾性変形に伴って変形することで抵抗値が減少するように前記素子配置面に配置された歪検出素子とを含む歪検出部を、少なくとも４つ備えることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の作用力検出装置において、
前記歪検出素子はひずみゲージであることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、平面視Ｉ字型の平板であることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、両先端部に、先端に近づくほど幅が広がる先端側広がり部を有する平面視Ｉ字型の平板であることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の作用力検出装置において、
前記先端側広がり部は、先端側へ向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備え、それら一対の斜辺は、前記起歪体の幅方向中心線とのなす角度がいずれも「１５度〜４５度」に形成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１８】
請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、前記連結体との連結部に近づくほど幅が広がる連結体側広がり部を有する平面視Ｉ字型の平板であることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の作用力検出装置において、
前記連結体側広がり部は、前記連結部との連結部へ向かうほど互いに隔離する一対の斜辺を備え、それら一対の斜辺は、前記起歪体の幅方向中心線とのなす角度がいずれも「１５度〜４５度」に形成されていることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項２０】
請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、２枚の平板にて構成されることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項２１】
請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の作用力検出装置おいて、
前記起歪体は、２つの平面視Ｉ字型の平板からなる１枚の平板にて構成されることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項２２】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、平面視卍型の平板であることを特徴とする作用力検出装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の作用力検出装置において、
前記起歪体は、複数の平板から構成されることを特徴とする作用力検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１０−１８１３９８（Ｐ２０１０−１８１３９８Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７９７７２（Ｐ２００９−２７９７７２）
【出願日】平成２１年１２月９日（２００９．１２．９）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月９日（２００９．１２．９）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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